Перевод с английского Н.Ф. Орловой под редакцией д.б.н. И.А. Гамалей

Copyright © 2019 by World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.

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:

«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.

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.

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

Большинство биологических исследований в конечном итоге ставят целью понять биологию людей, в том числе вас и меня! Однако многие биологические эксперименты чрезвычайно сложны в техническом плане и зачастую используют процедуры, которые могут привести к гибели изучаемого объекта. По этим и другим понятным причинам использование людей для многих биологических исследований запрещено очень многими (если не всеми) агентствами, обеспечивающими финансовую поддержку научным исследованиям. Поэтому молекулярные биологи, биохимики, генетики и другие члены биологического научного сообщества в течение многих лет изучают биологию организмов, которые не требуют больших затрат на содержание и обслуживание, быстро размножаются и просты в обращении и хранении в лабораторных условиях. Длительное время для биологических исследований используются так называемые модельные организмы – от простых бактерий до мух и грызунов и даже приматов, например обезьян. Для исследования генов в качестве модельных организмов часто используют бактерии, в частности кишечную палочку Escherichia coli (для краткости пишут E. coli), как правило, безвредный организм, который присутствует в кишечнике многих животных, в том числе у человека.

Может показаться странным, что изучение простых бактерий (крошечных организмов, увидеть которые можно только с помощью мощного микроскопа) стало источником основной информации о наших генах. На самом деле структура и функция генов не претерпели существенных изменений во время эволюции от бактерий до человека. Таким образом, многое из того, что мы знаем о генах и их функции, а в сущности, и о биохимии и молекулярной биологии в целом, есть результат изучения простых бактерий, таких как E. coli. Как гласит популярный афоризм, который приписывают французскому молекулярному биологу Жаку Моно, «что справедливо для кишечной палочки, справедливо и для слона».

С тех пор как были опубликованы новаторские исследования Грегора Менделя, ученые задумывались над тем, из чего же состоят его «факторы наследственности» (гены) и где они находятся в нашем организме. В 20-е годы прошлого века Фредерик Гриффит, английский ученый и военный врач Министерства здравоохранения Великобритании, занимался классификацией различных штаммов бактерии пневмококка (Streptococcus pneumonia) – опасного организма, который может стать источником пневмонии – смертельного (до появления антибиотиков) заболевания. Фредерик Гриффит родился в 1879 году, так что подробности его жизни малоизвестны. По натуре он был человеком скромным и сдержанным, за что его любили те немногие, кто знал его близко.

Вот что написал о нем Сиддхартха Мукерджи в 2016 году в своей книге «Ген. Сокровенная история»:

Гриффита не интересовали вопросы, касающиеся именно генов. Он сосредоточился на изучении разных штаммов (типов) пневмококка, взятых у разных пациентов: какие именно могут привести с большей вероятностью к пневмонии, а какие – нет. Он собрал образцы этой бактерии у многих больных пневмонией в разных регионах Англии и классифицировал их, пытаясь определить матрицу заболевания, используя в качестве подопытных животных мышей.

У пневмококка есть две формы: шероховатая (rough – R) и гладкая (smooth – S). S-форма может привести к тяжелому воспалению легких, часто со смертельным исходом, и поэтому ее называют вирулентной (заразной), а R-форма этой бактерии вызывает менее тяжелое течение заболевания или не вызывает вовсе и называется авирулентной (незаразной) формой.

В 1927 году Гриффит сделал открытие, за которое его помнят в научном сообществе и после его смерти, однако славы оно автору не принесло. Он обнаружил, что при скрещивании авирулентных бактерий (R-типа) с вирулентными (S-типа), которые были инактивированы (убиты) нагреванием, авирулентный штамм становится вирулентным! Гриффит назвал это явление трансформацией и предположил, что оно вызвано «чем-то» в авирулентных бактериях R-типа, чему он дал название «трансформирующее начало». Однако он не сделал попытки определить, из чего же состоит это трансформирующее начало. Вот что писал Сиддхартха Мукерджи:

Однако со временем, благодаря экспериментам Гриффита, назрел актуальный вопрос относительно природы трансформирующего начала. Познакомившись с работой Гриффита в 1933 году (через пять лет после публикации Гриффита в Journal of Hygiene), этим вопросом задался ученый и врач Освальд Теодор Эвери.

Эвери родился в Галифаксе в Канаде в 1877 году и в 1904 году окончил Колледж врачей и хирургов Колумбийского университета в Нью-Йорке. В октябре 1910 года в новую больницу при Университете Рокфеллера приняли первых участников научных исследований, открыв тем самым новую эру в биохимии, когда врачам дали ресурсы и моральную поддержку для проведения фундаментального изучения болезней, с которыми они имели дело в больничных палатах. Эвери перешел в Университет Рокфеллера в 1913 году, где на протяжении последующих 35 лет исследовал пневмококк, продолжая дело своего предшественника Фредерика Гриффита.

Таких как Эвери обычно называют одиночками. Хотя он и нравился своим университетским коллегам, он не слишком много времени тратил на общение с ними. Он не любил путешествовать и редко посещал научные конференции и собрания. Исключением был ежегодный летний отпуск в Дир-Айленд (Олений остров) в штате Мэн, где Эвери занимался своим любимым парусным спортом. Уйдя на пенсию, Эвери переехал в Нэшвилл в штате Теннесси, чтобы быть поближе к семье брата, где он вел жизнь типичного «сельского джентльмена» на пенсии – длительные пешие прогулки, садоводство, общение с близкими.

Весной 1940 года Эвери подтвердил результаты экспериментов Гриффита. В 63 года, в возрасте, когда во многих американских университетах сотрудникам предлагают выйти на пенсию, Эвери получил почетное звание в Университете Рокфеллера – честь, которой удостаиваются немногие представители научного сообщества, достигшие пенсионного возраста, но способные по-прежнему вносить вклад в науку, причем делать это безвозмездно. Этот статус позволил Эвери продолжить исследования в Университете Рокфеллера в течение пяти лет и жить (предположительно) на пенсионные накопления.

Когда Эвери приступил к исследованиям, которые его потом прославили, большинство биологов, которых интересовали гены, были твердо убеждены в том, что они состоят из белков. Работая в Университете Рокфеллера, Эвери с помощью двух молодых коллег получил экстракты бактериальных клеток, чтобы выделить и очистить клеточный компонент (компоненты) вирулентных бактерий (S-типа), которые вызывали у мышей пневмонию.

Рис. 3.1. Освальд Эвери

После длительной кропотливой работы Эвери и его коллегам удалось очистить компонент клеток, который сам по себе трансформировал авирулентные бактерии в вирулентную форму. Этим компонентом оказалась ДНК, что привело Эвери к следующему умозаключению: трансформация бактерий авирулентного R-типа в вирулентный S-тип в экспериментах Гриффита получилась благодаря ДНК, содержащей один или больше одного гена, который и повлиял на проникновение инфекции в клетки R-типа.

* * *

Большинство читателей слышали про ДНК и, вполне вероятно, даже знают, что это биологическое соединение, из которого состоят гены. Для тех, кто не в курсе: ДНК – это аббревиатура словосочетания ДезоксирибоНуклеиновая Кислота (язык сломать можно!). Хитроумное слово подразумевает несколько химических свойств. Во-первых, ДНК содержит сахар, который называется «рибоза». На вкус лично я ДНК не пробовал, так что не поручусь, сладкая ли она. Определение сахаров основывается исключительно на химических свойствах. Во-вторых, ДНК расположена в ядре клеток (рис. 3.2), где она существует в виде микроскопических нитевидных структур, называемых хромосомами, о которых поговорим подробнее в главе 5. В-третьих, по химическому составу ДНК соответствует определению кислот, однако это не жидкость в привычном смысле, которая ассоциируется с кислотами. Приставка «дезокси» относится к химической терминологии. Чуть позже мы познакомимся с родственной субстанцией, но без компонента «дезокси», которая называется рибонуклеиновой кислотой (РНК).

ДНК содержится в подавляющем большинстве приблизительно 37,2 триллионов клеток, из которых состоит тело человека. Все ткани и органы нашего тела состоят из клетокк – крошечных образований диаметром около 100 мк (микрон – это одна миллионная доля метра), которые можно увидеть под микроскопом. Если вы не имеете представления о том, что такое клетка человека, представьте себе клетку, похожую на крошечный полый шар. Оболочка шара называется плазматической мембраной (рис. 3.2). Внутренняя часть шара заполнена жидкостью, называемой цитоплазмой, которая в основном состоит из воды, солей и белков. В цитоплазме содержатся многочисленные структуры (рис. 3.2). Одна из этих структур, которых в каждой данной клетке много, называется «митохондрия» (рис. 3.2). Биохимические процессы, генерирующие энергию, необходимую нашим клеткам, осуществляются в митохондриях. В одной из следующих глав мы расскажем о том, что, к великому удивлению биологического сообщества, сравнительно недавно выяснилось, что митохондрии содержат ДНК!

Рис. 3.2. Типичная клетка человека. Надеюсь, вам будет интересно познакомиться со следующими структурами клетки: плазматическая (клеточная) мембрана, цитоплазма, митохондрия (на этом рисунке их всего четыре, хотя в некоторых клетках их может быть сотни) и, самое главное, ядро (в котором нашли ДНК), содержащее маленькую структуру, которая называется «ядрышко» (впрочем, вам не стоит в нее углубляться)

* * *

В мае 1943 года Освальд Эвери написал письмо брату Рою, профессору микробиологии Университета Вандербильта в штате Теннесси, в котором высказал мнение о том, что «трансформирующий фактор» Фреда Гриффита состоит из ДНК. Вот что он писал:

«Если мы правы, а это еще не доказано, то это означает следующее: нуклеиновые кислоты важны не только с точки зрения структуры, это и функционально активные вещества, определяющие биохимическую активность и конкретные свойства клеток, а это значит, что с помощью известной химической субстанции можно вызывать предсказуемые и наследственные изменения в клетках. Ведь именно об этом так долго мечтали генетики. Похоже на вирус, но это может быть ГЕН».

Один из основных атрибутов научного исследования в любой области состоит в следующем: независимо от степени убедительности нового открытия оно должно пройти серьезные испытания и получить всестороннюю оценку, прежде чем его безоговорочно примет большинство научных сообществ и весь мир. Без этой критической проверки огромные усилия, средства и масса времени могут быть потрачены впустую. Учитывая эту реальность, которая уготована всем ученым в преддверии новых важных открытий, неудивительно, что заявление Эвери о том, что гены состоят из ДНК, было воспринято с большим предубеждением.

В первую очередь это объяснялось распространенным убеждением, что огромное разнообразие биохимических реакций в клетках, определяемых генами, несомненно, требует субстанции, существующей во многих формах, например, белков, которых в организме человека насчитывается около 20 тысяч. С другой стороны, бытовало мнение, что ДНК, состоящая в первую очередь всего из четырех повторяющихся химических соединений, называемых основаниями, а именно аденина (А), тимина (Т), гуанина (G) и цитозина (С), – это структура, которая не пригодна для предполагаемой роли генов, и ее иногда в шутку называли «скучной» молекулой.

Запоминать сами названия – аденин, тимин, гуанин и цитозин – необязательно. Однако будет нелишним запомнить буквы A, T, G и C. Они встретятся вам в книге много раз. Несмотря на укоренившееся мнение о том, что ДНК – это «скучная молекула», непригодная быть веществом, из которого состоят гены, многие подвергали сомнению (вопреки героическим усилиям Эвери выделить абсолютно чистую ДНК) утверждение о том, что конечный продукт выделения полностью свободен от белка. Один влиятельный биолог написал в письме коллеге: «Вряд ли тот, кто очистил ДНК, сомневается в том, что даже в лучших препаратах остаются следы белка, и 1 или 2 % белка могут содержаться в препарате «чистой, свободной от белка» нуклеиновой кислоты». Критики утверждали, что микроскопические количества материала, очищенного Эвери и его коллегами, которое работало в их системе, могло содержать миллионы молекул белка, хотя Эвери неоднократно показывал, что никаких следов белка в очищенном материале, вызывающем трансформацию, не обнаруживается. «Эвери хотел доказать отрицательный результат и показать, что его очищенные экстракты полностью свободны от белков, а это невозможно», – высказался один историк естествознания.

* * *

Однако не все научные сообщества были столь скептически настроены по отношению к открытию Эвери. Авторитетный научный журнал Nature писал о его работе в восторженном тоне, да и многие ученые давали хвалебные отзывы. В октябре 1944 года Медицинская академия Нью-Йорка наградила Эвери золотой медалью. Годом позже Лондонское королевское общество удостоило его экспериментальные достижения медалью Копли, а в 1947 году Эвери наградили премией Альберта Ласкера за фундаментальные медицинские исследования. Несколько раз Эвери номинировали на Нобелевскую премию, но он так и не получил заветную награду. Говорят, что Арне Тиселиус, шведский биохимик и лауреат Нобелевской премии 1948 года, назвал Освальда Эвери самым заслуженным ученым, так и не получившим Нобелевскую премию! А Сиддхартха Мукерджи в своей книге «Ген. Сокровенная история» написал, что Эвери не получил премию, потому что «Эйнар Хаммарстен, влиятельный шведский химик, отказывался верить тому, что ДНК может нести генетическую информацию».

После заявления Эвери о том, что гены состоят из ДНК, два ученых, Алфред (Ал) Херши (рис. 3.3) и Марта Чейз (рис. 3.4) провели эксперимент, который подтвердил его точку зрения. Ал Херши родился в Овоссо, штат Мичиган. В 1930 году он закончил Мичиганский государственный университет, став бакалавром естественных наук, а в 1934 году получил степень доктора бактериологии. Потом он приступил к работе в Школе медицины при Университете Вашингтона в Сиэтле, где исследовал вирусы, которые заражают бактерии; эти вирусы получили название «бактериофаги» или просто «фаги». Бактериофаги – это крошечные организмы, намного мельче бактерий, состоящие только из ДНК с компонентами генов фагов, окруженные белковой оболочкой. Долгие годы бактериофаги были важным источником информации о генах. Многие докторские диссертации в области биологических наук появились на свет в результате исследования этих бактериальных вирусов.

Марта Чейз родилась в 1927 году в Кливленде, штат Огайо. В 1950 году она получила степень бакалавра Вустерского колледжа – частного колледжа свободных наук в Вустере, штат Огайо, известного своим уклоном в студенческие исследования. Потом Чейз работала с Херши в качестве научного сотрудника в лаборатории Колд-Спринг-Харбор – престижном научно-исследовательском заведении в окрестностях Нью-Йорка. Хотя в 1964 году Чейз получила степень доктора философии в Университете Южной Калифорнии, в 60-е годы из-за целого ряда личных неурядиц научная карьера Марты Чейз оборвалась. Не одно десятилетие она страдала формой деменции, в результате которой потеряла кратковременную память, и в 2003 году умерла в возрасте 75 лет.

Рис. 3.3. Алфред Херши

Рис. 3.4. Марта Чейз

«Ее имя будут всегда связывать с тем экспериментом, поэтому она своего рода памятник», – сказал Вацлав Шибальский – ее давний коллега и друг, который познакомился с Мартой Чейз, когда в 1951 году приступил к работе в лаборатории Колд-Спринг-Харбор. Шибальский присутствовал на первой презентации эксперимента Херши – Чейз для сотрудников лаборатории и был под таким впечатлением, что в тот же вечер пригласил Чейз на ужин и на танцы. «У меня сложилось впечатление, что она не понимала, какую важную работу проделала. Однако думаю, что в тот вечер я сумел ее в этом убедить», – говорил Шибальский. «Раньше она считала себя всего лишь техническим сотрудником с маленькой зарплатой. На самом же деле ее вклад в экспериментальную часть работы неоценим».

В 1952 году Херши и Чейз провели блестящий эксперимент для поддержки точки зрения Освальда Эвери, что гены состоят не из белка, а из ДНК. Не огорчайтесь, если от вас ускользает логика этого эксперимента. Это один из многих экспериментов, описанных в настоящей книге, которые включены главным образом для демонстрации того, как исследователи в области геномики искали экспериментальное доказательство своим идеям и гипотезам, которые будоражили лучшие лучшие научные умы того времени.

* * *

В 1952 году уже было известно, что в ДНК, в частности в ДНК бактериофагов, присутствует такое вещество, как фосфор, но он не был найден в их белковой оболочке. Херши и Чейз узнали, что в белковой оболочке фагов содержится другое вещество, сера, а в ДНК, напротив, ее нет. Обладая этой информацией, Херши и Чейз пометили ДНК фагов радиоактивным фосфором и независимо пометили белковое покрытие другой группы фагов радиоактивной серой. Две партии меченых фагов смешали, затем дали им возможность инфицировать бактерии.

При инфицировании бактерий фаги теряют свою белковую оболочку и синтезируются новые копии ДНК, несущие гены, которые кодируют белки фагов. Таким образом, генерируются новые фаги. В конечном итоге фаги взрывают своих бактериальных хозяев и отправляются на поиски новых бактерий – жертв инфицирования. Херши и Чейз заметили, что фаги – потомки помеченных фосфором в своей ДНК по-прежнему содержали этот радиоактивный материал. Однако потомки фагов, оболочки которых были помечены серой, не были радиоактивными. Короче говоря, Херши и Чейз таким образом установили, что именно гены в ДНК фагов, а не белки фагов, важны для получения новых фагов. Со временем благодаря этим и последующим экспериментам, проведенным другими учеными, не осталось никаких сомнений в том, что гены состоят из ДНК. В 1969 году Алберт Херши получил Нобелевскую премию. Логично предположить, что многие женщины-биологи до сих пор недоумевают, почему же Марта Чейз не удостоилась такой же награды!

Чтобы понять гены и их роль в синтезе белков, важно понять структуру ДНК, которую в 1953 году описали американский ученый Джеймс Уотсон (в научном сообществе его знают под именем Джим) и его английский коллега Фрэнсис Крик. Думаю, вам известны эти легендарные имена лауреатов Нобелевской премии 1962 года. Описание структуры ДНК Уотсоном и Криком многие считают самым выдающимся и значимым открытием в области биологии.

Джим Уотсон родился в 1928 году в Чикаго в штате Иллинойс и в 1947 году получил степень бакалавра в области зоологии. Подростком он любил наблюдать за птицами и мог стать орнитологом, но в конечном итоге решил, что хочет изучать генетику. Уотсон получил стипендию для обучения в аспирантуре Университета Индианы, где ему довелось познакомиться с видными экспертами по геномике и молекулярной биологии того времени, работы которых произвели на него неизгладимое впечатление.

Получив по окончании аспирантуры в Копенгагене в 1950 году степень доктора философии, Уотсон решил посвятить год исследованиям биологии бактериофагов – крошечных вирусов, заражающих бактерии, уже упомянутых ранее. За эту работу он получил после аспирантуры финансовую поддержку для практики на год от одного американского агентства. В течение этого года Уотсон побывал на научной конференции в Неаполе в Италии. Во время одной из научных презентаций на этой конференции английский ученый Морис Уилкинс представил рентгеновский снимок модели ДНК, полученный с помощью техники рентгеновской кристаллографии, хорошо известной физхимикам для определения трехмерной структуры биологических соединений. Фотография Уилкинса потрясла Уотсона. «Меня не волновало то, что я не в состоянии ее интерпретировать, – писал он позже. – Куда приятнее представить себя известным, чем превратиться в сухаря от науки, который за всю жизнь не позволил себе смелой мысли». Понимая, что определение структуры ДНК может выявить ключевую информацию о генах, Уотсон принял решение переключиться на новую научную тему, оставив работу, которой занимался в Копенгагене.

Рис. 4.1. Фрэнсис Крик

Рис. 4.2. Джеймс Уотсон

Как правило, агентства-спонсоры не одобряют ученых, которые подобным образом резко меняют направление работы по утвержденной программе и выражают желание уйти в другую лабораторию. Однако Уотсон проявил завидное упорство и получил поддержку от своих кураторов в Америке и Копенгагене, в результате чего агентство-спонсор разрешило ему выбрать новую тему исследования. Уотсон переместился в британскую лабораторию в Кавендише, где ему предстояло постичь азы рентгеноструктурного анализа и заняться изучением структуры ДНК. В Кавендише 23-летний Уотсон познакомился с Фрэнсисом Криком, 35-летним блестящим физиком-теоретиком и знатоком рентгеновской кристаллографии. После нескольких неудачных попыток в 1953 году Уотсон и Крик сумели получить модель структуры ДНК, которая оказалась верной и в высшей степени информативной для понимания ее биологических свойств.

* * *

В 1968 году Уотсон опубликовал впечатляющий отчет об этом революционном открытии в биологии в своей книге «Двойная спираль» (“The Double Helix – A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA”[1]). Чуть позже в этой главе я объясню, откуда взялось название «двойная спираль».

Если вас заинтересует этот плодотворный период в истории науки, когда Уотсон и Крик искали структуру ДНК, переживали успехи и неудачи в исследованиях, а также другие ключевые имена из лаборатории Кавендиша и других ведущих научных центров Лондона, настоятельно рекомендую прочитать «Двойную спираль» Уотсона. Эта книга, переведенная на многие языки мира, стала бестселлером (было продано более миллиона экземпляров). В 1998 году Modern Library, популярное американское издательство классики, хроники, научных монографий и переводных изданий, поместило «Двойную спираль» под номером семь в список из сотни лучших нехудожественных книг XX столетия. А в 2012 году Библиотека Конгресса назвала «Двойную спираль» одной из «88 книг, которые формировали Америку».

Мало кто знает о том, что поначалу Фрэнсис Крик был ярым противником издания «Двойной спирали». Уотсон описывал в ней многие странности известных научных умов, вовлеченных в работу над этим открытием, в том числе и самого Крика! Например, «Двойная спираль» открывается вот таким предложением: «Должен признать, что мне так и не довелось увидеть Фрэнсиса Крика в сдержанном настроении».

В 2003 году Уотсон предложил мне написать книгу о его литературном творчестве; это одна из моих любимых книг, которая открыла мне доступ к его личным документам и позволила взять у него несколько интервью. Книга, вышедшая под названием «Жизнь Джеймса Д. Уотсона как писателя» (“The Writing Life of James D. Watson”), раскрывает среди всего прочего подробности конфликта, вспыхнувшего между Уотсоном и Криком прежде, чем Крик с неохотой уступил упорному желанию Уотсона опубликовать свою «Двойную спираль».

Кроме Уотсона и Крика над определением структуры ДНК независимо друг от друга работали и другие ученые в Лондоне, в том числе Морис Уилкинс (в 1962 году он вместе с Уотсоном и Криком получил Нобелевскую премию), а также Розалинд Франклин, которую Уотсон однажды охарактеризовал как «воинствующую эмоциональную даму, которая не в состоянии интерпретировать даже собственные данные». В 2002 году биографию Розалинд Франклин опубликовала историк естествознания Бренда Мэддокс (через сорок с лишним лет после ее преждевременной смерти в 1958 году); еще одна книга, которую стоит прочитать – «Розалинд Франклин – загадочная леди ДНК»[2].

В более поздние годы Уотсон (в момент написания этой книги ему было 89 лет) был весьма популярной личностью с явной склонностью высказывать свое мнение на любую тему, причем суждения его зачастую бывали далеко не лестными. Одним словом, вырисовывается портрет весьма интересной личности! Неудивительно, что многие историки естествознания (включая автора этих строк) мечтали задокументировать его жизнь. А достался этот лакомый литературный кусок (равно как и серьезный вызов) Бренде Мэддокс. Говорят, эта долгожданная биография Уотсона скоро выйдет в свет.

Уотсон был плодотворным автором. Кроме «Двойной спирали» он выпустил многократные издания основного учебника по молекулярной биологии, а также следующие книги: «Страсть к ДНК», «ДНК – тайна жизни», «Избегайте скучных людей», ну и недавнюю его новинку «ДНК – история генетической революции».

После возвращения из Англии Уотсон поступил на кафедру биологии Гарвардского университета. В 1976 году он переместился в упомянутую выше лабораторию Колд-Спринг-Харбор. В 1968 году он стал директором этого учреждения, значительно увеличив его финансирование на научные исследования и подняв Колд-Спринг-Харбор на уровень одной из ведущих биологических лабораторий в мире. В настоящее время он живет при лаборатории Колд-Спринг-Харбор со своей супругой Элизабет (Лиз), писательницей, издавшей в соавторстве с мужем книгу об архитектуре лаборатории Колд-Спринг-Харбор под названием «Дома для науки».

* * *

Фрэнсис Гарри Комптон Крик родился в 1916 году в Англии в Нортгэмптоне и учился в местной гимназии и школе Милл-Хилл в Лондоне. Изучал физику в Университетском колледже в Лондоне и готовился к получению докторской степени, но исследования прервала Вторая мировая война. Во время войны Крик работал как ученый в Военно-морском министерстве Великобритании. Потом он посещал Кембриджский университет и в 1954 году получил степень доктора (Ph.D.) – через год после плодотворной работы с Уотсоном над структурой ДНК. После триумфального сотрудничества с Уотсоном Крик начал исследовать генетический код, о котором речь пойдет дальше. Впоследствии Крик стал работать в Институте биологических исследований Солка в Ла-Хойья в штате Калифорния, где занимался нейробиологией (нервной системой) и исследовал главным образом мозг – орган, который вызывает постоянный огромный интерес среди лучших научных умов и сокровенные тайны которого еще предстоит открыть. Кстати, одно время семья Крик жила в доме, который называли «Золотой спиралью»! Крик скончался в 2004 году.

В 2016 году в Лондоне открылся Научно-исследовательский институт Фрэнсиса Крика. В момент написания этих строк планируется объединить в Институте 1500 исследователей, технических сотрудников и административных работников, в том числе 1250 ученых с годовым бюджетом более 100 млн фунтов, и сделать его крупнейшей самостоятельной биомедицинской лабораторией в Европе – отличный памятник одному из наиболее видных исследователей биологии XX и XXI вв.

* * *

А теперь поговорим подробнее о структуре ДНК. Молекулы ДНК состоят из двух антипараллельных цепочек (сейчас я объясню эту конфигурацию), или нитей, как их называют, одинаковой длины, расположенных рядом, представляющих собой правостороннюю спиральную конформацию (рис. 4.3, правая панель), отсюда и название книги Уотсона «Двойная спираль»).

Рис. 4.3. Структура ДНК. Обе части рисунка иллюстрируют структуру ДНК. Диаграммы показывают две спиральные нити (двойную спираль) ДНК, составляющие молекулу ДНК. Обратите внимание на то, что основание аденин (А)) находится всегда в паре с основанием тимин (Т), а основание гуанин (G)) – всегда в паре с основанием цитозин (С). Эти основания химически связаны с сахарофосфатным остовом (см. верхнее изображение). Две нити ДНК расположены антипараллельно, таким образом, «верхний конец» одной нити ДНК соотносится с «нижним концом» другой нити ДНК. Это хорошо видно на нижнем рисунке, на котором зеленые пятиугольники (они представляют сахар дезоксирибозу) в двух нитях смотрят в противоположные стороны. Чтобы представить себе антипараллельное расположение, достаточно посмотреть на две столовые вилки одного размера, лежащие рядом, но смотрящие в противоположные стороны (антипараллельно). Вы заметите, что ширина двух вилок идентична по всей длине. Но, если вилки смотрят в одну и ту же сторону (параллельно), их ширина не равномерна. На левой панели нижнего рисунка также видно, что в ДНК основания существуют как единицы, называемые нуклеотидами, состоящими из основы, соединенной с молекулой сахара (дезоксирибозой) и фосфата

Длина двух нитей ДНК зависит от гена. Каждая спираль состоит из четырех упомянутых ранее оснований A, T, G и C, которые крепятся к сахарофосфатному остову. Эти четыре основания в нити ДНК могут располагаться в любом порядке. Однако для каждого конкретного гена порядок этот уникален. Именно число и порядок оснований в двух нитях ДНК и отличают один ген от другого. Нет двух генов, состоящих из одинакового числа оснований, расположенных в одинаковом порядке.

Организация двух нитей ДНК такова, что основание А в одной нити ДНК всегда спарено с основанием Т в противоположной нити, а основание G всегда спарено с основанием С. Например, если одна из нитей ДНК содержит последовательность нуклеотидов

ATCTGTTTTACGC,

в противоположной нити ДНК всегда будет последовательность

TTTAAGACAATGCG.

Каждую отдельную пару оснований на противоположных нитях ДНК (например А—Т или G—С) называют парой оснований. Ширина пары основания А—Т и G—С идентична. Будь это не так, ширина молекулы ДНК менялась бы случайным образом от одного основания к другому. Представьте себе, какой шаткой будет лестница, если у нее все ступени разной ширины. Это и объясняет, почему основание А всегда напротив основания Т в другой нити, а основание С всегда напротив основания G в другой нити.

У вас может возникнуть вопрос, сколько же всего пар оснований (А—Т и G—С) входит в целый геном человека. Представьте себе: 3,3 миллиарда, из которых всего 2 % непосредственно кодируют белки. Из остальных пар около 25 % составляют другие гены и их регуляторные элементы. Хотите верьте, хотите нет, но в 2018 году, через 65 лет после описания структуры ДНК Уотсоном и Криком, функции (функция) остальных оснований по-прежнему неизвестны. Высказывают предположение, что некоторая их часть может быть лишней информацией, доставшейся нам от эволюционного прошлого.

Точное число генов в геноме человека (это понятие описывает полный набор генов) неизвестно, поскольку сосчитать их трудно. В настоящее время считается, что число известных генов человека, несущих информационный код для воспроизведения белков, составляет примерно 20 000. Другие гены регулируют те гены, которые кодируют белки. Однако общее число генов, информирующих клетку о том, какие белки ей производить, вместе с известными генами, которые регулируют эту функцию, составляет всего 2 % от всей ДНК в клетке. До сих пор нам неведома функция остальных участков ДНК в наших клетках! Совершенно очевидно, что мы еще многого не знаем о ДНК.

Как уже говорилось выше, ДНК присутствует в структурах под названием «хромосомы», расположенных в ядрах примерно 37,2 триллионов клеток нашего организма. Каждая клетка из этих 37 с лишним триллионов содержит 46 хромосом, организованных в 23 пары (рис. 5.1). Эти 23 пары хромосом содержат по две копии каждого из ваших генов: один из них, унаследованный от матери, – в одной из спаренных хромосом и еще один, унаследованный от отца, – в другом члене пары.

В среднем в одной хромосоме содержится столько ДНК, что, если ее растянуть, она будет длиной 5 см! Подсчитано, что суммарная длина ДНК одного человека с его 37 триллионами клеток эквивалентна чуть ли не 70 расстояниям от Земли до Солнца и обратно. Представьте себе это, если сможете. Неудивительно, что ДНК в каждой хромосоме упакована исключительно плотно.

Сперматозоиды у мужчин и яйцеклетки у женщин, называемые половыми клетками, содержат в два раза меньше хромосом – 23 непарные хромосомы, и всего по одной копии каждого гена. После оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом она приобретает все 46 хромосом. По мере созревания плода снова появляются половые клетки с половиной исходного количества генетической информации.

Рис. 5.1. Хромосомы можно выделить из клеточных ядер и, рассматривая их под микроскопом, сосчитать, спарить и пронумеровать. Две голубые хромосомы – это пара

Возникает вопрос, почему в половых клетках (сперматозоиды и яйцеклетки) происходит уменьшение хромосомного содержания вдвое, – сложный процесс, получивший название «мейоз». Если бы наши половые клетки, как и все остальные клетки, содержали 46 хромосом, то каждый раз при оплодотворении женской клетки мужской число хромосом удваивалось бы и после всего нескольких поколений ранний эмбрион содержал бы клетки с гигантским числом хромосом, что привело бы к колоссальной генетической катастрофе! Мудрая Природа-мать во избежание подобной катастрофы придумала процесс мейоза.

Во время мейоза, кроме сокращения числа хромосом, генерируются новые комбинации ДНКК в каждой из четырех дочерних клеток, которые создаются во время этого процесса. Эти новые комбинации возникают в результате обмена ДНК между парными хромосомами, по одной от каждого родителя. Как следствие этого обмена, зародышевые клетки (сперматозоиды мужчины и яйцеклетки женщины), созданные во время мейоза, приобретают огромный диапазон генетических вариантов. Вот почему потомки, хоть генетически и похожие на своих родителей, все же генетически отличаются от каждого родителя.

* * *

Когда оплодотворенное яйцо вырастает и образуется эмбрион, клетки делятся в процессе, который называется «митоз» и который отличается от мейоза тем, что генетический материал не реорганизуется, как это происходит во время мейоза. Во время митоза делится отдельная клетка, создавая две идентичные клетки, что в конце концов приводит к полностью сформированному эмбриону. То, что эмбрион в итоге состоит из клеток разных типов с различными функциями (клетки мозга, сердца, печени, мышечные клетки и т. д.), является следствием абсолютно разных биологических событий, не имеющих отношения к генам. Митоз не приводит к изменениям в геноме. Он происходит, когда клетки в тканях и органах растут и размножаются в результате деления, создавая таким образом две идентичные дочерние клетки, например, во время роста от стадии полностью сформированного эмбриона до стадии младенца к моменту его рождения или у взрослых при заживлении ран. Во время митоза новые молекулы ДНК синтезируются из предшественников четырех оснований А, Т, G и С, которые встраиваются в новые цепочки ДНК под действием фермента под названием «ДНК-полимераза», что облегчает точное расположение А напротив Т, а G напротив С; этот процесс называется репликацией ДНК (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Во время репликации ДНК двунитевая ДНК (в верхней части рисунка) «расстегивается» и разворачивается и каждая отдельная нить (бирюзового цвета) становится матрицей для репликации новой парной нити (зеленого цвета). Основания сочетаются таким образом, что основание АА расположено всегда напротив основания Т в парной нити ДНК, а основание G – всегда напротив основания С

Как видно на рисунке, конечный результат репликации ДНК – это молекула новой двунитевой ДНК с составом оснований и порядком их расположения, идентичными исходной молекуле ДНК. Удивительно, что задолго до открытия фермента ДНК-полимеразы заключительное предложение знаменитой статьи Уотсона и Крика о структуре ДНК, напечатанной в журнале Nature 25 апреля 1953 года, являлось пророческим высказыванием: «От нашего внимания не ускользнуло, что конкретное сочетание А и Т, G и С наводит на мысль о возможном механизме копирования генетического материала».

Мы уже говорили о том, что частота и порядок оснований A, T, C и G в ДНК наших генов определяют код, называемый генетическим кодом; это код, который определяет синтез (производство) многочисленных белков в клетках живых организмов. Белки состоят из множества мелких химических единиц под названием «аминокислоты» (их 20). Каждый белок состоит из разных аминокислот, соединенных в разном порядке в цепочки, так называемые полипептиды, подобно тому как ДНК состоит из четырех оснований в разном порядке и разной длины. Белки могут состоять из одного полипептида или множества полипептидных цепочек. Как только синтез полипептида завершен, он сворачивается определенным образом, в результате чего создается полностью сформированный функциональный белок (рис. 6.1).

Точное число белков в наших клетках неизвестно, но считается, что организм человека способен синтезировать примерно 20–25 тысяч различных белков, которые кодируются 20–25 тысячами наших генов. Исследователи подтверждают существование 19 599 генов, кодирующих белки в геноме человека, и идентифицировали еще 2188 фрагментов ДНК, которые могут быть генами, кодирующими белки.

Расшифровка генетического кода и наше понимание процесса производства полипептидных цепей – это один из самых впечатляющих научных триумфов в истории биологии; в то же время сам генетический код – это одно из наиболее элегантных творений Природы! В расшифровку генетического кода и понимание механизма синтеза белков внесли свой вклад разные выдающиеся ученые. Наряду с Джимом Уотсоном и Фрэнсисом Криком структурой ДНК занимался и Сидней Бреннер, видный молодой молекулярный биолог из Южной Африки, который переехал в Англию, чтобы работать с ведущими специалистами в области молекулярной биологии. Он внес неоценимый вклад в расшифровку генетического кода и понимание принципов синтеза белков.

Рис. 6.1. Сворачивание (фолдинг) полипептидной цепочки для образования функционального белка

Рис. 6.2. Сидней Бреннер

Бреннер родился в 1927 году в небольшом южно-африканском городке Гермистон. С раннего возраста он отличался академическими успехами. Первые три класса начальной школы он одолел за год, а в 14 лет закончил гимназию. Бреннер поступил в медицинскую школу Университета Витватерсранда в Йоханнесбурге в Южной Африке, где его сразу заинтересовали исследования в области биологии, в отличие от предметов собственно медицины. Поскольку Бреннер по окончании обучения был слишком юн для получения квалификации практикующего врача, ему разрешили получить степень бакалавра по анатомии и физиологии. Закончив медицинскую школу, он получил степень доктора философии в Оксфорде и вернулся в Южную Африку на полагающиеся ему два года практики.

Как и Сидней Бреннер, я родился и вырос в Южной Африке и учился в той же медицинской школе, где он читал лекции по физиологии на моем курсе во время его двухгодичной практики. Он был не только отличным преподавателем, но и превосходным рассказчиком с неподражаемым чувством юмора. В 2010 году я опубликовал биографию Бреннера, в процессе работы над которой мне довелось близко познакомиться с ним и стать поклонником его таланта.

Приведу для примера забавный эпизод (характерный для юмора Бреннера), имевший место на лекции, которую он читал группе английских студентов. В те времена преподавателям в аудиториях разрешалось курить, и в середине лекции Бреннер, в те годы заядлый курильщик, вставил сигарету в рот обратным концом! Студенты переглянулись и, когда он извлек из кармана зажигалку, с нетерпением ожидали, когда же он зажжет фильтр. Не прерывая ни на миг лекцию, Бреннер включил зажигалку и, прежде чем зажечь сигарету, небрежным жестом перевернул сигарету нужным концом! Сейчас, когда я пишу об этом, Бреннеру уже 90 лет, он часто болеет легочными заболеваниями, вероятно, в результате длительной привычки к курению табака. Живет он в Сингапуре, где и сегодня проводит много времени, развивая молекулярную биологию этой страны.

Помимо вклада в развитие науки в Сингапуре, Бреннер помог создать Институт науки и технологии Окинавы (OIST) в Японии, за что был награжден правительством Японии Орденом Восходящего солнца 1-го класса («Большой Кордон»). Орден Восходящего солнца – это одна из высочайших научных наград, которую может получить ученый в Японии, неважно, японец он или нет.

* * *

А теперь поговорим об удивительной истории о том, как расшифровали, или «раскололи» (выражаясь языком сленга), генетический код, а также о том, как воспроизводятся белки. Вы уже знаете, что ДНК «живет» в хромосомах в клеточном ядре и там же производится. А белки производятся в цитоплазме, что известно уже давно. А цитоплазма, как мы уже говорили, – это раствор (в основном из воды, солей и белков), занимающий пространство между ядром и клеточной мембраной, заполняющий каждую клетку и заключенный в клеточную мембрану (рис. 3.2). Поскольку считалось, что белки производятся в цитоплазме, а ДНК – в клеточных ядрах, Фрэнсис Крик, Сидней Бреннер и еще несколько исследователей пришли к выводу, что должна существовать молекула-мессенджер (messenger), т. е. молекула, которая передает генетическую информацию от ядра клетки в ее цитоплазму.

Возникло мнение, что молекула-мессенджер – это соединение под названием «рибонуклеиновая кислота» (РНК), которая, как уже говорилось выше, по химическому составу очень похожа на ДНК, с той лишь разницей, что основание тимин (Т) в ДНК заменено в РНК на урацил (U). Пока непонятно, чем объясняется это различие между ДНК и РНК. Но со временем я постараюсь внятно объяснить предположение, высказанное на этот счет.

Ученые обнаружили большое количество РНК в некой структуре в цитоплазме клеток, которую назвали рибосомой, в которой, как известно, происходит синтез белков, и пришли к выводу о том, что рибосомная РНК – это и есть предполагаемый мессенджер. Однако многие из предварительных экспериментов не подтверждали эту мысль. Но если рибосомная РНК не является тем самым посланником (молекулой-мессенджером), то что же это за неуловимый элемент? Ответ на этот вопрос был дан во время исторической встречи в Королевском колледже в Кембридже в Страстную пятницу в 1960 году, где собрались видный французский молекулярный биолог Франсуа Жакоб, Сидней Бреннер, Фрэнсис Крик и еще несколько ученых.

За несколько лет до этого исследователи, работающие с бактериофагом (т. е. бактериальным вирусом, который заражает бактерии), обнаружили небольшое количество РНК в бактериях, инфицированных бактериофагом. Это открытие и его значимость так и остались необъясненными. Но во время встречи в Короловеском колледже Бреннер высказал предположение, что эта форма РНК и есть тот самый неуловимый посредник (передатчик информации), поскольку она копировала состав бактериофага, а не бактерий. Эту РНК Бреннер назвал мессенджер-РНК или мРНК[3]. Ее удалось обнаружить в небольшом количестве (чего прежде не получалось), поскольку она была необходима лишь на короткие периоды времени в процессе синтеза белка. Серия блистательных экспериментов, проведенных Бреннером, Криком и их коллегами, подтвердила предположение Бреннера! Это достижение позволило сделать гигантский шаг вперед в разгадке того, как образуются белки.

Матричная РНК (мРНК) производится в клетках с помощью фермента РНК-полимеразы, которая работает подобно ДНК-полимеразе, всегда сочетая С в ДНК с G в РНК, G в ДНК – с С в РНК, Т в ДНК – с А в РНК, но А в ДНК – с U в РНК. Процесс синтезирования матричной РНК (и других типов РНК) с помощью РНК-полимеразы называется транскрипцией, а процесс генерации цепочек аминокислот (полипептидов) – трансляцией.

Когда основные понятия синтеза белков были определены, ученым оставалось лишь объяснить, как информация транскрибируется из оснований А, Т, С и G в ДНК в основания А, U, С и G в матричной РНК, которая, в свою очередь, транслируется в белок. Бреннер с коллегами убедились в том, что фиксированное количество оснований должны кодировать включение конкретной аминокислоты в растущую цепочку полипептидов. Это понятие и стали называть генетическим кодом.

До проведения каких-либо экспериментов на основе простой арифметики предположили существование триплетного генетического кода (состоящего из трех следующих друг за другом оснований в ДНК). Если одно основание кода – А, Т, С или G – кодирует одну аминокислоту, то очевидно, что весь код может закодировать только четыре аминокислоты.

Точно так же, но с помощью двух оснований (AA, AT, AC, AG и т. д.) можно закодировать только 16 аминокислот. А трехбуквенный код (триплет) теоретически позволит зашифровать 64 аминокислоты – более чем достаточно, чтобы закодировать все известные нам 20 аминокислот. Теория теорией, а доказать экспериментально, что генетический код состоит из трех оснований (названных кодоном) – это совсем другое дело! Блистательный эксперимент Крика, Бреннера и их коллег доказал, что код, заложенный в гене, действительно представляет собой три основания – триплетный генетический код. Рис. 6.2 иллюстрирует, как Крик и Бреннер экспериментальным образом установили, что генетический код на самом деле читается кодонами, состоящими из трех оснований, а не из иного их числа, например четырех или пяти. Бреннер и Крик провели эксперименты, в которых X было химическим веществом (профлавином), встраивающимся между двумя нуклеотидами в ДНК.

Этот эксперимент доказал, что генетический код читается триплетами. Если бы генетический код читался четырьмя соседними нуклеотидами, то для описанных выше шагов потребовались бы четыре молекулы Х.

Рис. 6.3. Доказательство того, что генетический код – это триплетный код

В автобиографии «Моя жизнь в науке», опубликованной в 2001 году, Бреннер писал:

«Было нетрудно понять, что, сдвигая фазу кода, используя (по желанию) интеркалирующие агенты, мы должны получить размер кодона. Если ген мутировал из-за сдвига считывающей рамки кодона на одну молекулу профлавина, то общее число добавок профлавина для возвращения в рамку считывания (в смысловой регистр) должно равняться числу нуклеотидов в кодоне».

Если у вас возникли трудности с пониманием этого эксперимента, то вы попали в хорошую компанию! Позже Бреннер писал: «Эта концепция фазового сдвига была настолько чужда людям, занимающимся генетикой, что у нас вечно возникали проблемы, когда мы пытались объяснить им эту работу». Перефразируя поговорку «Две ошибки еще не правило», я бы описал этот блистательный эксперимент так: «Три ошибки иногда дают верный результат».

Бреннер и Крик назвали три последовательных основания в цепочке ДНК кодонами. Помимо кодонов, определяющих конкретную аминокислоту, необходимую для растущей цепочки полипептидов (белка), они открыли, что некоторые кодоны обозначают начало и конец белковой цепочки.

По мнению многих молекулярных биологов и генетиков, вклад Сиднея Бреннера в середине 60-х годов в понимание работы генетического кода, несомненно, заслуживал Нобелевской премии. Однако ждать этой награды ему пришлось до 2002 года, и получил он ее за исследование, которое не имеет никакого отношения к генетическому коду. Возможно, Нобелевский комитет, который ежегодно решает, кому присудить награду, испытывал неизбежное давление: ну разве можно отказать в награде одному из великих молекулярных биологов ХХ века еще при его жизни? Однако возникает вопрос: почему же Бреннера не наградили еще в начале 60-х? Лично я считаю, что Бреннер был и остается яркой личностью, которая не станет радостно терпеть дураков и нередко позволяет себе обижать других без извинений. С другой стороны, члены Нобелевского комитета – степенные шведы. Вот где кроется секрет наказания!

* * *

Включение аминокислот в полипептидные цепочки для образования белков не начинается прямо со считывания генетического кода в мРНК. Матричная РНК в секунду узнает совпадающий триплет нуклеотидов во втором типе РНК, называемой транспортной РНК (тРНК); тРНК присоединяется к конкретной аминокислоте, которая становится частью белка. А новый белок, в конце концов, собирается с помощью третьего типа РНК – рибосомной РНК, упомянутой выше.

Однако я не стану пугать вас подробностями всех этих и других типов РНК. На самом деле в генетическом коде важно понять, что триплеты оснований в ДНК совпадают с триплетами оснований в матричной РНК, которые, в свою очередь, узнают совпадающие триплеты последовательностей в другом типе РНК – транспортной РНК, которая уже присоединяется к конкретной аминокислоте (рис. 6.4).

Рис. 6.4.

Включение конкретной аминокислоты в растущую полипептидную цепочку происходит в клеточных структурах, называемых рибосомами, где тоже содержится РНК, которая, как считалось ранее, и есть неуловимая мРНК. В сущности, генетический код основывается на неизменном правиле: триплетная последовательность в ДНК, например CGA, всегда узнает комплементарную последовательность GCU в матричной РНК, которая, в свою очередь, снова узнает CGA в следующей РНК (тРНК), соединенной с конкретной аминокислотой. Таким образом, для восстановления исходного кодирующего триплета CGA в ДНК, необходимы два набора нуклеотидов (GCU в мРНК и CGA в тРНК; рис. 6.4).

Может возникнуть вопрос, почему последовательность CGA в ДНК прямо не узнает последовательность CGA в тРНК, прикрепленной к аминокислоте, минуя GСU в матричной РНК? Как я уже заметил ранее, Природа-мать со своей бесконечной мудростью поместила ДНК в ядро клеток, а синтез белка – в цитоплазму, мРНК требуется цитоплазме. Фрэнсис Крик называл серию событий ДНК → РНК → белок «центральной догмой» биологической информации. Когда вся полипептидная цепочка аминокислот полностью собрана, она сворачивается в уникальную трехмерную структуру, свойственную конкретному белку (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Как только полипептидная цепочка (слева) полностью собрана, она сворачивается в функциональную трехмерную структуру, уникальную для данного белка (справа)

* * *

Как только было твердо установлено, что генетический код представляет собой триплетный нуклеотидный код, неизбежно встал следующий вопрос: какие именно триплетные кодоны определяют конкретные аминокислоты? Первое экспериментальное свидетельство, отвечающее на этот вопрос, представил Маршалл Ниренберг.

Ниренберг родился в Нью-Йорке в семье Минервы Быковской и Гарри Эдварда Ниренберга, производителя рубашек. В детстве он заболел ревматической лихорадкой, и семья переехала в Орландо в штате Флорида, чтобы воспользоваться благоприятным субтропическим климатом. Ниренберг рано заинтересовался биологией и в 1948 году получил степень бакалавра, а в 1952 году – степень магистра биологии в Университете Флориды в Гейнсвилле. Его диссертация была посвящена таксономии и экологии майской мухи (Trichoptera). В 1957 году Ниренберг получил степень доктора (Ph.D.) биохимии в Университете Мичигана в Энн-Арборе.

После получения степени он учился в Институте артрита и болезней обмена веществ при Национальном институте здравоохранения (НИЗ) в качестве стипендиата Американского общества рака. В 1959 году он стал биохимиком в НИЗ и начал изучать процессы, которые связывают ДНК, РНК и белок. В 1962 году, благодаря своим новаторским экспериментам, Ниренберг возглавил отдел биохимической генетики в НИЗ (ныне это Национальный институт сердца, легких и крови), где вместе со своим научным сотрудником Генрихом Маттеи получил жидкие экстракты бактериальных клеток (их получают, раздавливая миллиарды целых клеток, и используют для выделения интересующего клеточного компонента и изучения биохимических реакций) и добавили короткий участок РНК, включающий только один тип оснований – урацил (UUUUUUU), называемый полиурацилом (поли(U)). Маршалл и его коллеги продемонстрировали, что поли(U) – РНК запускает синтез полипептидной цепочки, состоящей из одной аминокислоты фенилаланина. Благодаря подобным экспериментам с использованием нуклеотидов из разных оснований Ниренберг смог расшифровать, какие триплетные кодоны в ДНК кодируют каждую аминокислоту, входящую в полипептидную цепочку.

* * *

Одно из непременных условий профессиональной жизни ученого – это участие в научных конференциях в разных уголках мира. На таких мероприятиях ученые представляют результаты своих работ и знакомятся с презентациями других участников на интересующие их темы. В 1961 году в России (в Москве) состоялась Пятая международная конференция по биохимии. На ней собрались более 5000 ученых всего мира, в том числе Ниренберг. Он стремился представить результаты своих потрясающих экспериментов, которые позволили определить, какие кодоны вызывают появление конкретных аминокислот в процессе синтеза белка. Из-за большого числа ученых, представлявших свои работы на конференции 1961 года в Москве, презентации были запланированы в разных конференц-залах одновременно, что неизбежно во время крупных научных собраний. Поэтому участникам таких конференций в зависимости от сфер интересов приходится выбирать, какие именно доклады слушать. Кроме того, на Пятой международной конференции по биохимии наиболее важным презентациям было отпущено 20–30 минут, а остальным – до 10 минут. Ниренбергу «повезло»: ему дали 10 минут для доклада, на который пришло всего несколько десятков человек.

Рис. 6.6. Маршалл Ниренберг

В своей книге «Величайшие тайны жизни» Мэтью Кобб рассказывает о том, как признанный ученый из Гарварда Мэтью Мезельсон, присутствовавший на докладе Ниренберга, был настолько впечатлен его презентацией, что среди сотен ученых, заполнивших здание, где проходила конференция, умудрился разыскать Фрэнсиса Крика и сообщил ему сенсационную новость. Крик был председателем одной из научных сессий, назначенной на следующий день, с докладами длительностью 20–30 минут; услышав от Мезельсона содержание 10-минутного доклада Ниренберга, Крик пригласил Ниренберга представить свой доклад повторно на следующий день, выделив ему на этот раз 20 минут.

Мэтью Кобб приводит в своей книге такие слова Ниренберга: «Во второй раз я делал доклад перед очень большой аудиторией. Прием был замечательный, просто фантастический. Помню, Мэтт Мезельсон сидел в первом ряду. В то время я не был с ним знаком лично, но он был так рад выслушать мой доклад, что импульсивно вскочил, схватил меня за руку и обнял – как будто я солист культовой рок-группы!»

Теперь генетический код был полностью расшифрован, причем до такой степени, что стало понятно, какими триплетными кодонами в ДНК какие аминокислоты кодируются в растущей цепочке белка.

Вы удивитесь, но ваша ДНК не состоит из длинной непрерывной последовательности оснований, эксклюзивно кодирующих цепочки аминокислот, которые станут белком. Некодирующие участки ДНК, так называемые интроны, прерывают кодирующие участки – экзоны. Во время транскрипции, чтобы генерировать матричную РНК (мРНК), сначала весь ген транскрибируется в пре-мРНК, включающую и экзоны, и интроны. Во время процесса сплайсинга РНКК интроны удаляются из генома, а экзоны объединяются и образуют смежные кодирующие последовательности. И тогда зрелая мРНК готова к трансляции.

Экзон-интронная архитектура многих генов ставит интересный вопрос: выполняет ли какую-либо функцию эта уникальная биологическая организация или это просто результат распространения нефункциональных интронов в наших геномах, возникших во время эволюции? По ряду причин преобладают доказательства в пользу функциональности. С одной стороны, наличие интронов в геноме является значительной нагрузкой для клетки, поскольку сплайсинг (вырезание) интронов требует наличия в клетке сложных структур сплайсосом – больших комплексов клетки, включающих множество типов РНК и более 150 белков. Кроме того, процесс транскрипции интронов (перевод последовательностей ДНК в РНК) весьма энергозатратен. И, наконец, точное распознавание стыков сплайсинга сплайсосомой регулируется множеством элементов. Эта биохимическая сложность делает организм уязвимым для мутаций, которые в случае незначимости интронов не имели бы значимого влияние на клетку. На самом деле предположительно более 50 % генетических заболеваний человека вызываются нарушением нормальной модели вырезания интронов.

Зачем Природа создала интроны в нашей ДНК? С одной стороны, показано, что удаление интронов уменьшает количество мРНК в клетках, а значит, и количество произведенного белка. В некоторых случаях несущая интрон ДНК, полученная в лаборатории, экспрессирует почти в 400 раз больше мРНК, чем конструкты ДНК без интронов. С другой стороны, некоторые интроны настолько эффективны для повышения уровней экспрессии, что их обычно включают в конструкты ДНК, полученные в лаборатории, чтобы гарантировать высокие уровни экспрессии мРНК. Кроме того, альтернативный сплайсинг (сплайсинг разных участков гена) – это регулируемый процесс, позволяющий одному гену кодировать много разных белков; и это еще один пример изысканных биологических механизмов Природы.

Как вы помните, всего лишь 2 % нашей ДНК кодируют производство белков. Но для чего же тогда остальные 98 %? Хотите верьте, хотите нет, но в 2017 году нам пришлось признать, что мы этого не знаем! Было время, когда биологи полагали, что 98 % геномной ДНК ничего не делают, и даже в шутку называли ДНК «суррогатной»! Однако считать, что 98 % нашей ДНК абсолютно бесполезны, весьма неразумно: будь это так, ее бы давно не было. Ученые прекрасно понимают, как важно понять необходимость этих 98 % нашего генома. Но пока еще не придумали практического способа достичь этой цели, предположительно и главным образом потому, что мы не знаем, какие же функции (или функцию) искать!

Не так просто адекватно оценить миллионы лет, прошедших с начала эволюции. Но я надеюсь, что вы уже представляете, сколь велико множество биохимических событий и клеточных структур, необходимых для производства белков, чтобы понять, сколько же времени понадобилось, чтобы достичь элегантной стратегии, которая в конечном итоге появилась на Земле. Может быть, в туманном далеком прошлом были периоды, когда белки производились с помощью иных механизмов. Но они исчезали по мере появления новых и более эффективных способов, пришедших им на смену. Представьте себе эволюцию путешествий: сначала только пешком и бегом, потом на примитивных тачках без колес, затем на телегах с колесами, на гребных лодках, велосипедах, на других транспортных средствах с мотором, на теплоходах и, наконец, на самолетах. Техническая эволюция заняла много времени. Что еще ждет человечество? Может быть, машины без колес, а то и летающие автомобили! В конечном итоге, пожалуй, даже моментальная трансформация материи из пункта А в пункт Б! Но подобные технические эволюции – лишь песчинки времени, необходимого для биологической эволюции в том виде, как мы ее знаем сегодня.

Когда ген активно включает синтез конкретной мРНК, мы говорим, что этот ген экспрессируется. Однако все гены в нашем геноме не одновременно экспрессируют информацию, которая приводит к появлению белков. Каждый тип клетки в нашем организме имеет разный набор экспрессируемых генов, а различные паттерны (схемы) экспрессии приводят разные клеточные типы к производству разных типов белка. Пример, который я нашел в Интернете, напоминает о том, что одна из функций печени – удалять токсичные вещества, скажем алкоголь, из кровяного потока. Для достижения этой цели клетки печени экспрессируют (включают) гены, кодирующие компоненты фермента, который превращает алкоголь в нетоксичную молекулу. Однако клетки в нашем мозгу не удаляют токсины из организма, поскольку мозг держит эти гены в молчащем состоянии (выключенными). Клетки имеют сложные механизмы для изменения экспрессии генов. Как вы теперь знаете, процесс экспрессии генов состоит из множества шагов и почти все шаги можно регулировать. Однако регуляция генов – это отдельный многогранный процесс, который в этой книге не рассматривается.

У вас может создаться впечатление, что ДНК в наших клетках надежно защищена, находясь в коконе из хромосом и уютно спрятавшись в ядрах наших клеток. К сожалению, все обстоит иначе. ДНК – это высокоактивное биологическое соединение, которое подвержено разным типам повреждений и изменений, реагируя с химическими веществами, возникающими во время нормальных обменных процессов или в результате взаимодействия с искусственными химическими веществами, поступающими в наши организмы. Некоторые из этих химических веществ, образующихся в результате обменных процессов, называются активными формами кислорода (АФК). АФК – это продукты нормального процесса метаболизма кислорода в организме, но они активно взаимодействуют с ДНК. Вас наверняка удивит, что согласно подсчетам в организме человека ежедневно в каждой клетке происходит не менее 10 000 окислительных нарушений ДНК. Это очень много!

ДНК может повредиться в результате спонтанных нарушений в одной или обеих нитях ДНК либо из-за включения неправильных нуклеотидов с помощью фермента ДНК-полимеразы во время процесса репликации ДНК (копирование существующих нитей ДНК в целях генерации новых молекул ДНК обсудим дальше). Эти многочисленные источники и способы повреждения нашей ДНК могут мешать процессу репликации ДНК и (или) транскрипции (еще одна тема для дальнейшего обсуждения), что может привести к гибели клетки. Но есть и хорошая новость: за многие эры биологической эволюции появились биохимические механизмы, которые вызывают репарацию (восстановление) поврежденной ДНК, в том числе неправильных нуклеотидных пар, возникших при ошибочной репликации ДНК.

Первый из известных и, пожалуй, самый древний механизм репарации ДНК был открыт случайно в середине 40-х годов прошлого века ученым Альбертом Кельнером. Родился Кельнер в 1912 году. В юности он заболел костным туберкулезом, в результате чего у него на всю жизнь осталась заметная хромота. Было задето и левое плечо, что мешало ему играть на скрипке, а он владел этим инструментом в совершенстве. Жена Кельнера как-то сказала мне, что, если бы у него смолоду не возник интерес к биологии, он бы мог стать музыкантом. «Наверное, наша семья жила бы тогда впроголодь, – сказала она, – но сейчас я не об этом. Он был великолепным музыкантом».

Кельнер открыл репарацию ДНК, работая с антибиотиками – соединениями, которые производят бактерии и грибы и способны убивать или подавлять конкурирующие виды микробов. Это явление известно с давних времен и объясняет, почему еще древние египтяне прикладывали к инфицированным ранам припарки заплесневелого хлеба. Но лишь в 1928 году Александр Флеминг, профессор бактериологии в больнице Святой Марии в Лондоне, открыл первый антибиотик пенициллин, за что в 1945 году получил Нобелевскую премию.

Вернувшись из отпуска в сентябре 1928 года, Флеминг начал разбирать чашки Петри с колониями стафилококка – бактерии, которая может вызывать серьезные инфекционные заболевания. Занимаясь этим, он заметил в одной из чашек нечто необычное. Как и остальные чашки, она кишела бактериями, за исключением одного пятна, где росла плесень. Зона вокруг этого пятна была чистой, словно она выделяла нечто, что тормозит рост бактерий. Флеминг заинтересовался этим фактом и обнаружил, что «сок из плесени» способен уничтожать многие вредоносные бактерии. Так он открыл пенициллин!

Во время Второй мировой войны, помимо массового производства пенициллина, в США начался интенсивный поиск новых антибиотиков. В период между 1943 и 1946 годом Альберт Кельнер работал в Университете Пенсильвании, где проводил обширный скрининг бактерий в надежде обнаружить другие антибиотики. В 1946 году Флеминг приступил к работе в лаборатории Колд-Спринг-Харбор, руководил которой тогда Милислав Демерец, американский генетик родом из Хорватии, искавший новые антибиотики. Демерец хотел исследовать интересное явление, которое выражалось в том, что микроорганизмы, не выделяющие антибиотики, в результате мутации могут начать выделять их. Когда Кельнер поступил на работу в лабораторию, ему поручили именно это исследование.

Чтобы получить бактерии-мутанты, из которых один или несколько могли бы производить антибиотики, Кельнер облучил бактерии ультрафиолетом (УФ). Этот способ часто используют для возникновения мутаций у бактерий, поскольку УФ-свет активно повреждает ДНК. Для калибровки своей экспериментальной системы Кельнер подвергал кишечную палочку (E. coli) воздействию ультрафиолета в разных дозах, чтобы определить, какое по продолжительности и силе воздействие УФ-изучение дает оптимальное число мутированных бактерий и минимальное число погибших.

К большому огорчению Кельнера, он получил результаты, которые было трудно воспроизвести. В результате упорной работы он в конечном итоге определил, что причиной противоречивости его результатов было флюоресцентное освещение в самой лаборатории и установил, что клетки, подверженные УФ-облучению, «поправлялись», если потом их выставляли на видимый свет. Скоро Кельнер понял, что он открыл биологический процесс репарации ДНК. Обрадованный неожиданным открытием Кельнер с разрешения Демереца прекратил поиск новых бактерий, способных производить антибиотики, и сосредоточился на явлении репарации ДНК.

По странному стечению обстоятельств в то время, когда Кельнер пытался разобраться со своими наблюдениями по УФ-облучению бактерий, итальянский ученый Ренато Дульбекко в Университете Индианы проводил эксперименты с воздействием УФ-излучения на бактериофагов. Как и Кельнер, Дульбекко с огорчением заметил, что, когда он складывал стопки агаровых пластин (на которых росли видимые колонии бактерий), количество выживших фагов постоянно значительно менялось. В конце концов он понял, что в агаровых пластинах наверху стопки (то есть подверженных видимому свету) было наибольшее количество фагов, и пришел к выводу, что обнаружил механизм репарации ДНК, связанный с действием света, который он назвал фотореактивацией. Со временем Кельнер и Дульбекко договорились разделить заслугу открытия фото-реактивации и репарации ДНК.

Вскоре произошел сдвиг в понимании ферментной фотореактивации и того, что происходит во время этого способа репарации ДНК. Чтобы понять ферментную фотореактивацию, нам придется вернуться к двум основаниям – тимину (Т) и цитозину (С). Эти два основания относятся к органическим соединениям под названием «пиримидины». Хорошо известно, что, когда ДНК подвергают воздействию УФ, два смежных пиримидина в цепи ДНК могут объединиться и вызвать ее нарушение – образование пиримидиновых димеров (Т-Т), (Т-С) и (С-С). Пиримидиновые димеры изменяют трехмерную структуру ДНК, что приводит к остановке ее репликации ДНК-полимеразой и понижению уровней транскрипции генов РНК-полимеразой. Однако, когда ДНК, содержащая пиримидиновые димеры, подвергается воздействию видимого света, фермент (называемый фотореактивирующим) переводит димеры в нормальные несвязанные основания ТТ, ТС или СС. К сожалению, у млекопитающих фотореактивирующего фермента нет. Будь у наших клеток такой фермент, нам бы не угрожал в такой мере риск получить рак кожи в результате ежедневных солнечных ванн!

Рис. 8.1. Ренато Дульбекко

В последующие годы были открыты другие механизмы репарации ДНК, в том числе эксцизионная репарация – важный процесс восстановления ДНК, который распознает большой спектр поврежденных оснований в ДНК и вырезает поврежденный сегмент (процесс эксцизии) из нити ДНК (рис. 8.2). Это приводит к образованию пробелов в поврежденной цепочке ДНК, заполняемых ДНК-полимеразой, которая использует противоположную нормальную цепочку ДНК как матрицу точно так, как это происходит во время репликации ДНК (рис. 8.2). Процесс эксцизионной репарации не ограничивается удалением тиминовых димеров. Механизм эксцизионной репарации распознает и восстанавливает многочисленные типы повреждения оснований в ДНК. Таким образом, ученые пришли к мнению, что механизм эксцизионной репарации распознает искажение структуры ДНК, общее для многочисленных типов повреждения оснований. Природа этого предполагаемого искажения остается неразгаданной.

Надеюсь, вы помните, что ДНК содержит основание цитозин (С), а РНК – основание урацил (U). Я упоминал ранее, что ученые не понимают, почему это именно так. Представляется следующее разумное объяснение этой странности.

Рис. 8.2. Эксцизионная репарация ДНК

Химические структуры оснований цитозина (С) и урацила (U) очень похожи. Следовательно, цитозин (С)) в ДНК иногда может спонтанно заменяться на урацил (U). Изменение учащается, если клетки подвергаются действию некоторых химических веществ. Томас Линдаль, американский ученый родом из Швеции, открыл механизм репарации ДНК, во время которого (U) в ДНК (но не в РНК) селективно удаляется ферментом репарации и замещается цитозином (С). Однако, если бы в норме в ДНК вместо (С) было (U), стратегия репарации ДНК, которая удаляет U из ДНК, удалила бы U и из неповрежденной ДНК.

* * *

Последний механизм репарации ДНК, о котором я расскажу, – это так называемая репарация ошибочно спаренных оснований. Напомню: во время синтеза новых нитей ДНК ДНК-полимеразой иногда в новую цепочку встраивается не то основание, которое нужно, генерируя ошибочно спаренные основания. Ошибки спаривания можно исправлять с помощью процесса, во время которого ошибочное основание вырезается из ДНК и замещается правильным. Но если предположить, что процесс репарации узнает ошибки спаривания оснований, то неизбежно возникает волнующий вопрос. Поскольку оба основания в неправильной паре химически нормальные, как процесс репарации «понимает», какая из двух цепочек ДНК содержит неправильное основание?

Рис. 8.3. Пол Модрич

Рис. 8.4. Томас Линдаль

Мэтью Мезельсон, ученый из Гарвардского университета, уверенный в том, что существует механизм, отличающий нормальную нить ДНК от вновь синтезированной и содержащей одно ошибочно спаренное основание, разрешил эту головоломку. Он обнаружил, что при копировании ДНК с помощью фермента ДНК-полимеразы для создания новой нити ДНК нить матричной ДНК, которая копируется, временно химически модифицируется, а вновь синтезированная дочерняя нить – нет. Этот нюанс работает как сигнал, который «командует» процессу репарации ошибочно спаренных оснований удалять нуклеотид в немодифицированной цепочке независимо от того, что это за нуклеотид.

Пол Модрич из Университета Дьюка разъяснил подробности биохимического механизма, с помощью которого неправильные основания удаляются во время репарации ошибочно спаренных оснований и замещаются правильными нуклеотидами. В 2015 году Модрич и упомянутый ранее Томас Линдаль получили Нобелевскую премию.

Как вы теперь, надеюсь, понимаете, при синтезе новой ДНК фермент ДНК-полимераза «знает», что основание A всегда должно располагаться напротив T, а C – напротив G. Как уже упоминалось в предыдущей главе, ДНК-полимераза (которая, как и все ферменты, не является совершенной в своей работе) иногда включает неправильный нуклеотид во время синтеза ДНК – к счастью, очень редко. Например, вместо основания А напротив Т в растущую цепь ДНК может быть включено неправильное основание С, или G, или даже еще одно Т. Неправильные или невосстановленные основания в генах могут привести к мутациям, которые нарушат нормальную функцию генов, а это иногда может стать причиной серьезных заболеваний, таких как рак.

Оказывает ли мутация в гене пагубное влияние на человека или нет, зависит от того, как она влияет на ген. Если мутация произошла в той области гена, которая несущественна для его функционирования, то она может не иметь явных последствий (это так называемые молчащие мутации). Если мутированный ген замедляет биохимическую реакцию, то это вызовет лишь незначительное нарушение функции генов.

Мутации в генах (за исключением генов в половых клетках) называются приобретенными и могут нарушать нормальную функцию органа в той или иной степени, но они не передаются по наследству. Мутации в половых клетках (сперматозоидах и яйцеклетке), напротив, передаются по наследству и могут вызвать генетические заболевания. Такие мутации называются наследственными, и болезни на их основе у потомства, как правило, бывают неизлечимыми. Однако в этой области наметился заметный прогресс: появилось новое направление научных исследований – генная терапия.

Важно понять, что мутации в половых клетках не всегда вредны. В частности, эволюция новых видов зависит от безвредных мутаций в половых клетках. Возможно, вы думаете, что между людьми и шимпанзе есть большое генетическое различие. На самом же деле у двух этих видов 99 % ДНК общие. Считается, что 10–11 миллионов лет назад у человека и шимпанзе был общий предок. Таким образом, за период в 10–11 миллионов лет изменилось лишь около 1 % нашей общей с шимпанзе ДНК. Однако с точки зрения генетики это очень много, вот почему нетрудно отличить человека в стае шимпанзе и наоборот!

Наследственные мутации являются причиной ряда известных генетических заболеваний, в том числе муковисцидоза (или кистозного фиброза), болезни Хантингтона и ряда других генетических заболеваний. Больные муковисцидозом (а это довольно распространенное заболевание) наследуют дефектный ген номер семь – ген CFTR (ccystic fffibrosis tttransmembrane conductance regulator – регулятор трансмембранной проводимости при муковисцидозе). Муковисцидоз – это генетически рецессивное заболевание, а значит, для того чтобы ребенок заболел, оба родителя должны передать ему дефектный ген. (Вспомните Грегора Менделя, который заметил разницу между между доминантным и рецессивным «фактором».) Если ребенок наследует только одну копию дефектного гена, он (она) будет его носителем. Носители не болеют, но могут передавать мутированный ген своим детям. Многие генетические заболевания имеют такое свойство.

Белок, кодируемый геном CFTR, как правило, помогает ионам соли (хлориду натрия) входить в клетки и выходить из них. Однако если белок нефункционален из-за мутации в его гене CFTR, движение ионов через клеточную мембрану может быть нарушено, что приведет к образованию необычно вязкой и липкой слизи снаружи клеток. Клетки легких наиболее уязвимы. Дыхательные пути легких засоряются слизью, что увеличивает риск бактериального заражения. Вязкая слизь также блокирует проходы в поджелудочной железе, препятствуя доступу ее пищеварительных ферментов в кишечник. Без этих ферментов пища нормально не переваривается и больные муковисцидозом часто страдают от недостатка питания, необходимого для нормального роста. Кроме того, муковисцидоз повреждает потовые железы. Потеря с потом слишком большого количества солей может нарушить тонкий баланс минеральных веществ в организме.

Мы не знаем, где в геноме локализованы многие гены, связанные с болезнями. Значительные усилия были направлены на физическое и генетическое картирование. Физические карты основаны на сопоставлении конкретных последовательностей ДНК. Генетическое картирование, которое является менее точным, предполагает установление относительного положения гена в геноме. В своей недавней книге «ДНК. История генетической революции» Джеймс Уотсон[4] предлагает простую аналогию генетического картирования, которой я здесь и воспользуюсь.

«Методическая находка, именуемая ныне как «анализ сцепления», позволяет определить положение неизвестного гена относительно известных генов-ориентиров. Принцип прост: трудно найти на карте Соединенных Штатов город Спрингфилд в штате Массачусетс, если у вас нет никакой информации, кроме названия. Но если я скажу вам, что Спрингфилд расположен на полпути между Нью-Йорком и Бостоном – двумя городами-ориентирами, нанесенными на карту, ваша задача значительно облегчается. Анализ сцепления работает по такому же принципу с генами: он устанавливает связи между известными генетическими маркерами и неизвестными генами». Уотсон пишет, что нехватка известных генетических маркеров у людей создавала трудности для использования этого анализа в случае болезней человека, пока два известных исследователя, Дэвид Ботстейн и Рон Дэвис, не поняли, что последовательности ДНК, называемые «полиморфизмы длин рестрикционных фрагментов» (ПДРФ), могут служить отличными генетическими маркерами. ПДРФ «возникают, когда последовательность ДНК, разрезаемая специальным ферментом у одного индивидума, у другого изменена так, что этот фермент разрезать ее в том же месте больше не может. Миллионы из них разбросаны по всему нашему геному».

«Ботстейн, Дэвис и еще несколько их единомышленников в конечном итоге составили четкий план того, как при помощи ПДРФ-маркеров строить карту указателей в каждой хромосоме человека. Ботстейн с коллегами подсчитали, что 150 тысяч ПДРФ, равномерно распределенных по всему геному, будет достаточно, чтобы исследователи смогли выявить мутированные гены, вызывающие заболевания. Собрав образцы ДНК у многих семей, у которых это заболевание прослеживалось в нескольких поколениях, они проследили закономерности наследования ПДРФ одного за другим в поисках тех, которые ведут к заболеванию в семьях, и, таким образом, указали приблизительное положение мутированного гена. Через несколько лет генетик Хелен Донис-Келлер опубликовала статью «Карта генетических сцеплений в геноме человека». Эта карта включает 403 маркера, которые охватывают добрых 95 % генома человека».

«В дальнейших исследованиях один из этих генетических маркеров проследили при болезни Хантингтона – наследственной болезни, локализованной в мозге и вызывающей прогрессивную нейродегенерацию. Обычно это заболевание вызывает когнитивные, психические и двигательные нарушения. В марте 1993 года группа из 59 авторов объявила, что они определили локализацию гена болезни Хантингтона и мутацию, ответственную за это заболевание. Ничто в его 10-тысячной последовательности нуклеотидов не предполагало, что его белковый продукт не может нормально функционировать в мозге или в другом органе».

«К счастью, генетические заболевания не так распространены, как многие другие расстройства без генетической основы. Ряд врожденных дефектов и генетических нарушений можно обнаружить, если беременная женщина хочет получить такую информацию, а кроме того, можно провести скрининг еще до начала беременности. Общая рекомендация состоит в следующем: беременной женщине из семьи, в которой были случаи генетического заболевания, необходимо проконсультироваться со своим врачом-гинекологом относительно возможности проведения скрининга и диагностических тестов».

В начале книги я говорил о том, что бо́льшая часть ДНК в наших клетках находится в хромосомах в клеточных ядрах. Но именно бо́льшая часть, а не вся ДНК наших клеток. 57 лет назад несколько групп исследователей независимо друг от друга обнаружили крошечные структуры в цитоплазме наших клеток, так называемые митохондрии (рис. 3.2), которые тоже содержат ДНК (мтДНК). Вот так сюрприз! Считается, что ядерная и митохондриальная ДНК разного эволюционного происхождения.

В каждой клетке содержатся от сотен до тысяч митохондрий, в которых происходят биохимические процессы, генерирующие энергию, необходимую нашим клеткам. В митохондриальной ДНК содержится 37 генов, каждый из которых важен для функций митохондрии. Тринадцать из этих генов управляют образованием ферментов, участвующих в биохимических реакциях митохондрий. Остальные гены (их 24) обеспечивают регуляцию переноса РНК (тРНК) и рибосомной РНК, которые, как вы помните из главы о генетическом коде, необходимы для синтеза белка.

Вы также помните из главы о репарации поврежденной ДНК, что главным виновником повреждения ДНК являются активные формы кислорода (АФК[6]). Несмотря на то что АФК образуются в процессе митохондриальных биохимических реакций, мтДНК не накапливает окислительных повреждений больше, чем ядерная ДНК. Вероятно, это является результатом того, что некоторые разновидности окислительного повреждения ДНК лучше репарируются в мтДНК, а не в ядерной. Кроме того, у митохондрий развит уникальный механизм, который поддерживает целостность мтДНК за счет деградации чрезмерно поврежденных митохондриальных генов, после которой происходит репликация целостной репарированной мтДНК. Многочисленные копии ДНК, присутствующие в митохондриях как матрицы, облегчают этот механизм.

В отличие от ядерной ДНК, которая наследуется от обоих родителей и в которой гены реорганизуются в процессе рекомбинации во время мейоза, мтДНК, как правило, не изменяется при передаче от родителя к потомству. Благодаря этому, а также тому что скорость мутации мтДНК у животных выше, чем у ядерной ДНК, мтДНК – это мощный инструмент для отслеживания наследственности по женской линии, и именно с этой целью ее используют для того, чтобы проследить происхождение многих видов сотни поколений назад.

Во время оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом разрушается практически весь сперматозиод. Сохраняются только хромосомы в головке сперматозоида, которые и используются в качестве окончательной версии ДНК в оплодотворенной яйцеклетке. Митохондрии сперматозоида и их ДНК тоже разрушаются. И только митохондриальная ДНК яйцеклетки участвует в развитии плода. Следовательно, митохондриальная ДНК переходит от матери к дочери из поколения в поколение, то есть у женщины митохондриальная ДНК идентична ДНК ее матери, а матери – ее матери и так далее. Митохондриальная ДНК у сына, которую он получает от матери, является тупиковой. Поэтому секвенирование митохондриальной ДНК женщины часто проводят для установления семейной наследственности; теоретически оно должно привести к одной женщине, жившей сотни тысяч лет назад.

Мутации в митохондриальной ДНК могут привести к ряду заболеваний, в том числе к непереносимости физической нагрузки и к синдрому Кернса – Сейра, в результате которого у человека нарушаются функции сердца и глаз, а также мышечная активность. Есть данные в пользу того, что мутации в митохондриальной ДНК ускоряют процесс старения.

Сванте Пэабо, шведский биолог и признанный авторитет эволюционной генетики, считается одним из основателей палеогенетики – науки, которая использует методы генетики и геномики для изучения первобытных людей и других популяций древнего прошлого. С 1977 года Пэабо руководил отделом генетики в Институте эволюционной антропологии Макса Планка в Лейпциге в Германии. В 2014 году вышла его книга «Неандерталец. В поисках исчезнувших геномов»[7], в которой он рассказывает историю исследований в его лаборатории.

В книге «Краткая история всех, кто когда-либо жил» британский ученый, писатель и телеведущий Адам Резерфорд[8] пишет, что согласно традиционной палеоантропологии (изучение первобытных людей, основанное на детальном исследовании костной ткани) считалось, что современные люди (Homo sapiens) достигли Европы примерно 60 000 лет назад, когда неандертальцы там уже обосновались, но жили небольшими сообществами. Исследование костей неандертальцев свидетельствует о том, что их анатомия отлична от нашей. «Они были ниже ростом, более плотного телосложения, коренастые, с объемной грудной клеткой, с более широкими носами и более выраженными надбровными дугами». Резерфорд отмечает, что «в просторечии неандертальцы – это синоним грубых пещерных людей, агрессивных низколобых тупиц. На самом деле в XIX веке немецкий биолог Эрнст Геккель предложил дать название Homo stupidus (человек тупоумный) одному из образцов скелета».

Однако, по мнению Резерфорда, «нет доказательств того, что они были именно такими и значительно отличались от нас. Они охотились, разделывали и готовили крупную добычу». И «есть свидетельства тому, что последние 100 тысяч лет они шили, делали одежду и украшения, а эти навыки предшествуют появлению анатомически современных людей, то есть неандертальцы скорее всего развили их сами, а не научились от «новых детей в квартале» (от «новичков-соседей»). Резерфорд также подчеркивает, что «мозг у неандертальцев был больше, чем у нас, и хотя в целом объем черепной коробки прямо не пропорционален интеллектуальным способностям, больший мозг приматов говорит о его большей сложности!» Может, стоит извлечь из-под замка неопровержимое доказательство и признать, хотя это и не слишком радостно, что неандертальцы интеллектуально превосходили нас?

Рис. 12.1. Сванте Пэабо

В 1997 году Пэабо с коллегами сообщили о секвенировании митохондриальной ДНК (мтДНК) неандертальца, полученной из ископаемого, обнаруженного в долине Неандер в Германии. Последовательность ДНК неандертальца имеет больше общего с современной мтДНК человека, чем с шимпанзе, что неоспоримо доказывает тот факт, что неандертальцы были частью эволюционной линии человека. Однако были и существенные различия между последовательностью мтДНК неандертальца и примерно тысячью последовательностей мтДНК современного человека.

Впоследствии мтДНК восстановили и секвенировали из двух других образцов неандертальца. В результате всех этих исследований Пэабо пришел к выводу, что, хотя неандертальцы и принадлежали к тому же эволюционному древу, что и люди, неандертальская ветвь на этом древе расположена далеко от ветви современных людей. На основании этих наблюдений можно предположить, что примерно 40 000 лет назад люди встретились с неандертальцами, но современные люди скорее уничтожали неандертальцев, чем скрещивались с ними.

В последующих исследованиях Пэабо и его коллеги секвенировали участок ядерной ДНК фрагмента кости неандертальца, найденной в пещере в Хорватии, возраст которой насчитывает примерно 40 000 лет и которая хранится в музее в Хорватии. В 2010 году Пэабо с соавторами опубликовали анализ двух миллионов оснований – около 50 % генома неандертальца, и сравнили последовательность его ДНК с последовательностями пяти современных людей из разных частей света. Результаты показали, что, в отличие от людей, чьи давние предки мигрировали из Африки в Европу, неандертальцы в Африке никогда не жили. Однако сравнение последовательностей ядерной ДНК говорит о том, что неандертальцы и люди все же скрещивались в период, когда существовали одновременно примерно 75 000 лет назад, предположительно на Ближнем Востоке.

Предварительные исследования свидетельствуют о том, что 99,7 % основных последовательностей геномов современного человека и неандертальца идентичны, а совпадение последовательностей ДНК человека и шимпанзе составляет 98,8 %. Неудивительно, если окажется, что генетически мы ближе к неандертальцам, чем к шимпанзе!

Группа исследователей во главе с Пэабо сообщила также о большой последовательности ДНК генома, извлеченного из фрагмента кости женщины, жившей примерно 50–100 тысяч лет назад в Денисовой пещере в горах Алтая в Сибири. Эта последовательность не относится ни к человеку, ни к неандертальцу, что доказывает существование еще одной группы гоминидов, так называемых денисовцев, которые находятся в более близком родстве с неандертальцами, чем с людьми.

В 2007 году в ДНК неандертальца были обнаружены мутации гена FOXP2, отвечающего за речь, которые идентичны таковым у современного человека, на основании чего можно предположить, что неандертальцы могли иметь общие с современным человеком базовые языковые способности.

Когда и как появилась ДНК с большим набором геном в качестве носителей живого? Этот вопрос существует уже давно, но определенного ответа на него пока нет. Попытаюсь дать вам представление о сложности этого вопроса, а также изложу некоторые мысли и предположения по этому поводу.

По современным представлениям, жизнь началась с РНК, а в какой-то назревший момент жизнь на основе РНК переключилась на ДНК, поскольку ДНК оказалась более подходящим вариантом для хранения информации. Однако есть и другие точки зрения относительно появления ДНК на земле. Не так давно появилась статья английского писателя Майкла Маршалла, озаглавленная «ДНК могла существовать задолго до появления самой жизни»[9], в которой автор заявляет: «Химики близки к тому, чтобы доказать, что строительные кирпичики ДНК можно формировать самопроизвольно из химических веществ, которые, как считается, могли существовать уже на первозданной Земле». Если это так, то это и есть ответ на вопрос о происхождении жизни на нашей планете. В 2009 году после десятилетий упорного труда исследователи наконец сумели создать РНК, используя химические вещества, которые могли существовать на Земле ее ранних эпох. Это достижение говорит о том, что РНК могла сформироваться спонтанно, и подтверждает гипотезу о зарождении жизни в мире РНК и последующем ее переключении на ДНК. Но есть и другое предположение, согласно которому жизнь могла начаться одновременно в обоих мирах – и РНК, и ДНК, эти два мира перемешались, а в конечном итоге разъединились. В конце статьи Маршалл цитирует Мэтью Леви из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна в Нью-Йорке: «Прямо сейчас у нас нет никаких оснований однозначно сказать, как и когда жизнь впервые использовала ДНК».

Рис. 13.1. Стивен Хокинг

Еще один волнующий вопрос: есть ли жизнь на других планетах и если есть, то основана ли она тоже на ДНК? Известный английский физик-теоретик, космолог, автор и директор Центра исследований теоретической космологии Кембриджского университета Стивен Хокинг в интернет-лекции «Жизнь во Вселенной» пишет, что, как правило, живые существа обладают и набором инструкций, диктующих системе, как поддерживать и воспроизводить саму себя (с помощью генов), и механизмом для выполнения этих инструкций (обменом веществ). «Но по своей природе они не обязательно должны быть биологическими. Компьютерный вирус – это программа, которая копирует себя в памяти компьютера и переносится на другие компьютеры». Таким образом, по мнению Хокинга, компьютер подходит под определение живой системы. Может быть, такие «живые системы» существуют и где-то на просторах Вселенной?

В заключение Хокинг рассматривает возможность существования где-то там других форм разумной жизни, но нас они словно бы не замечают. Он напоминает нам о проекте поиска внеземных цивилизаций SETI (Search For Extra-Terrestrial Intelligence – поиск внеземного разума), согласно которому предполагалось сканировать радиочастоты, чтобы понять, можем ли мы получать сигналы от внеземных цивилизаций. «По моему мнению, этот проект стоит поддерживать, – пишет Хокинг, – хотя его и закрыли из-за недостаточного финансирования. Но мы должны быть осторожны с ответом на подобные сигналы, пока мы не продвинулись в своем развитии немного дальше. Встреча с более развитыми цивилизациями на нынешнем этапе может быть подобна встрече коренных жителей Америки с Колумбом. Не думаю, что она сделала их счастливее!»

Определить последовательности оснований А, Т, С и G в участке ДНК (то есть секвенировать) можно с помощью методов, которые сегодня уже стали рутинными в большинстве, если не во всех лабораториях академических институтов. Однако у подобных лабораторий нет возможности секвенировать весь геном таких организмов, как человек, который содержит приблизительно 25 000 генов и еще большее число оснований, не входящих ни в один ген.

В 80-е годы прошлого столетия ученые начали обсуждать необходимость учредить проект, задачей которого было бы секвенирование всего генома человека. После длительных дискуссий и многочисленных собраний два государственных агентства в США – Министерство энергетики и Национальный институт здравоохранения – разработали меморандум о взаимопонимании для координации планов и установления времени начала проекта в 1990 году. Официально проект с бюджетом в три миллиарда долларов стартовал в 1990 году при содействии Министерства энергетики и Национального института здравоохранения, и рассчитан он был на 15 лет. Кроме американских ученых в проект с названием «Геном человека» (Human Genome Project, HGP) включились и генетики из Великобритании, Франции, Австралии, Китая, спонтанно образуя в процессе работы множество научных связей.

Благодаря мощному международному сотрудничеству, успехам в области анализа последовательности ДНК, а также новейшим компьютерным технологиям уже в 2000 году был готов «черновой набросок» генома человека, о чем 26 июня этого же года одновременно сообщили в телевизионном эфире президент США Билл Клинтон и премьер-министр Великобритании Тони Блэр. А 14 апреля 2003 года, на два года раньше запланированного срока, было объявлено о том, что в целом почти завершена расшифровка последовательности ДНК генома человека. Этот проект был одним из самым дорогостоящих в истории биологии. Последовательность ДНК хранится в базах данных, доступных в Интернете любому интересующемуся. Национальный центр биотехнологической информации США и его дочерние организации в Европе и Японии поместили последовательности генов в базу данных, известную под названием GenBank («Банк генов»). Расшифрованный в результате работы над проектом и опубликованный геном не представляет последовательность генома каждого индивида. Это комбинированный набор, полученный от небольшого числа анонимных доноров европейского происхождения.

В 1998 году подобное предприятие было открыто американским исследователем Крейгом Вентером и его частной компанией Celera Genomics. В начале 90-х годов, когда приступили к проекту HGP, Вентер был научным сотрудником Национального института здравоохранения США. Работа по интерпретации и анализу уже собранных данных пока еще в начальной стадии.

Предполагается, что детальное знание генома человека обеспечит новые пути к достижениям в области медицины и биотехнологии. Однако практические результаты проекта «Геном человека» появились еще до завершения этих исследований. Например, ряд частных компаний начал предлагать простые способы проведения генетических анализов для определения предрасположенности к заболеваниям широкого спектра, в том числе к раку молочной железы, муковисцидозу, болезни печени и другим. Кроме того, предполагается, что информация о геноме поможет выявлению причин различных форм рака, болезни Альцгеймера и других заболеваний и будет способствовать более успешному их лечению.

Анализ совпадений ДНК-последовательностей различных организмов открывает новые подходы и к исследованию процесса эволюции. Считается, что проект поможет дать ответы на многие вопросы относительно сходства и различия между человеком и нашими ближайшими родственниками (другими приматами, в том числе и обезьянами)[10], а также другими млекопитающими.

Проект «Геном человека» – это мощное международное научное предприятие по секвенированию и картированию всех генов представителей нашего вида – Homo sapiens (человек разумный) – и является одним из крупнейших исследовательских проектов в истории науки.

Надеюсь, читая книгу, вы получили удовольствие и сумели разобраться с большей частью, а то и всем ее содержимым, но что еще важнее, вы познакомились ближе со своими генами и тем, как они работают.

Не единожды я упоминал, цитировал и воздавал должное Сиддхартхе Мукерджи, автору книги «Ген. Сокровенная история». В одной из глав другой его книги «Книга человека» в двадцати трех томах (по числу пар хромосом) есть краткое резюме генома человека, повтор которого будет последним словом книги «Узнай о своих генах».

«В нем 3 088 286 401 буква ДНК, то есть чуть больше трех миллиардов (плюс-минус несколько).

Он распределен по 23 парам хромосом (всего 46) в большинстве клеток организма. У всех остальных приматов, в том числе у горилл, шимпанзе и орангутангов, 24 пары хромосом. В какой-то момент эволюции гоминидов две средних по размеру хромосомы в каком-то предке приматов слились в одну.

Геном кодирует 20 687 генов, что всего лишь на 1796 больше, чем у червей, на 12 000 меньше, чем у кукурузы, и на 25 000 меньше, чем у риса и пшеницы.

Он невероятно изобретателен. Он извлекает сложное из простого. Дирижирует активацией и подавлением лишь определенных генов в определенных клетках и лишь в определенные моменты, создавая уникальных партнеров для каждого гена во времени и пространстве, и, таким образом, обеспечивает почти бесконечное функциональное разнообразие на основе ограниченного репертуара.

Он динамичен. В некоторых клетках он перетасовывает свою собственную последовательность, чтобы создать новые варианты самого себя. Части его на удивление красивы. Например, на большом участке хромосомы 11 есть специальный участок, отвечающий исключительно за обоняние.

Как ни странно, гены составляют лишь микроскопическую часть генома. А бо́льшая его часть (ошеломляющие 98 %) не является собственно генами и представлена огромными участками ДНК между генами или внутри них. Эти длинные участки не кодируют ни РНК, ни белок; они существуют в геноме, чтобы регулировать экспрессию генов, или по каким-то другим причинам, которые мы пока не понимаем, или вообще без причины (то есть являются «мусорной» ДНК).

Он пропитан историей. Он включает своеобразные фрагменты ДНК, часть из которых произошли от древних вирусов, встроились в геном в далеком прошлом и с тех пор являются пассивными.

Он имеет повторяющиеся элементы, которые часто встречаются. Назойливая и загадочная последовательность Alu появляется десятки тысяч раз, но ее происхождение, функция и значимость неизвестны.

У него есть огромные «семейства генов» – генов, которые похожи друг на друга, выполняют похожие функции и часто группируются вместе.

Он содержит тысячи «псевдогенов» – генов, которые когда-то были функциональными, но стали нефункциональными, то есть больше не дают начала ни белку, ни РНК.

Он вмещает столько вариаций, что может сделать каждого из нас уникальным, и имеет достаточно возможностей сделать каждого представителя нашего вида принципиально отличающимся от шимпанзе или бонобо, хотя их геномы на 96 % идентичны нашему.

Несмотря на то что мы полностью понимаем генетический код (а именно, как информация одного гена используется для построения белка) мы практически ничего не понимаем о геномном коде, то есть как многочисленные гены, распределенные по геному человека, координируют экспрессию гена в пространстве и во времени для того, чтобы строить, поддерживать и восстанавливать его организм.

Сиддхартха Мукерджи – большой мастер слова, и его книга «Ген. Сокровенная история» – это непревзойденный рассказ про гены в нехудожественной литературе (non-fiction). Возможно, кто-то из вас захочет ее прочитать[11]. Тогда предупреждаю вас, что книга Мукерджи совсем не похожа на учебник, это том в 568 страниц, и одолеть его не так просто, что и побудило меня написать эту книгу.

Аденин – одно из четырех оснований ДНК и РНК.

Активные формы кислорода (АФК) – химически активные виды, содержащие кислород. К ним относятся, например, пероксиды, супероксиды, гидроксильные радикалы и синглетный кислород. АФК обладают высокой реактивностью по отношению к ДНК.

Альтернативный сплайсинг (или дифференциальный сплайсинг) – это регулируемый процесс экспрессии генов, в результате которого несколько белков кодируются одним геном.

Альцгеймера болезнь – прогрессирующее снижение интеллекта в среднем или пожилом возрасте в результате общего ухудшения мозговой деятельности.

Аминокислоты – любые соединения из многих веществ в живых клетках, содержащие углерод, кислород и азот, которые, соединяясь, образуют белки. Аминокислоты содержат основную аминогруппу (NH₂) и кислотную карбоксильную группу (COOH), присоединенные к одному и тому же атому углеводорода.

Бакленд, Ричард – подозреваемый в серии убийств в Лестере (Англия), первый в истории обвиняемый, с которого сняли обвинения в совершении преступления и освободили на основании ДНК-фингерпринтинга.

Бактериофаг – вирус, который парализует бактерию, заражая ее, и размножается в ней.

Белок – любое из соединений класса азотистых органических соединений, состоящих из крупных молекул одной (или более) длинной цепочки аминокислот; являются основой всех живых организмов – структурными компонентами тканей организма, таких как мышцы, волосы, коллаген и др.; могут функционировать в качестве ферментов и антител.

Берг, Пол – ученый из Стэнфордского университета.

Бойер, Герберт – ученый из Калифорнийского университета в Сан-Франциско.

Бреннер, Сидней – молекулярный биолог южно-африканского происхождения, который помог расшифровать генетический код.

Вентер, Крейг – основатель, председатель и генеральный директор американского Института Дж. Крейга Вентера – некоммерческой научной организации, объединяющей 250 сотрудников и посвященной исследованиям генома человека, микробов, растений, синтетической биологии и окружающей среды.

Ген CTFR – ген, который мутирован при муковисцидозе.

Ген – единица наследственности, передаваемая от родителей к потомству, определяет некоторую характеристику потомства.

Генетика – исследование наследственности и изменчивости наследованных характеристик.

Генетические нарушения – генетические болезни, вызванные одной или более аномалиями (особенно врожденными) в геноме.

Генетический код – совокупность правил, по которым информация, закодированная внутри генетического материала (последовательности ДНК или мРНК), транслируется в белки живыми клетками.

Генетическое картирование – определение положения гена на основании информации о генетической связи.

Генная терапия – пересадка нормальных генов в клетки на место отсутствующих или дефектных.

Геном человека – полный набор последовательностей нуклеиновых кислот человека (Homo sapiens), кодируется ДНК, распределенной по 23 парам хромосом в клеточном ядре.

Геном – совокупность всех генов данного организма или человека.

Геномика – отдел молекулярной биологии, изучающий структуру, функцию, эволюцию и картирование геномов.

Генотип – генетический набор организма или группы организмов со ссылкой на один признак, набор признаков или весь комплекс признаков.

Гермистон – город в Южно-Африканской Республике, где родился Сидней Бреннер.

Гриффит, Фредерик – британский бактериолог и врач, который открыл ДНК, но не понял, что он открыл.

Гуанин – одно из четырех оснований ДНК.

Двойная спираль – модель, предложенная в 1953 году Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком, собравшими и интерпретировавшими ключевые доказательства, согласно которым молекулы ДНК принимают форму винтовой лестницы – двойной спирали.

Демерец, Милислав – американский генетик родом из Хорватии, который в 1941–1960 гг. руководил лабораторией Колд-Спринг-Харбор.

Денисовцы – недавно открытая ветвь вымерших людей, которые могли в свое время скрещиваться с современным человеком.

Джеффрис, Алек – британский генетик, разработавший метод ДНК-фингерпринтинга и ДНК-профилирования, ныне используемый во всем мире в криминалистике при расследовании уголовных дел, в решении вопросов об отцовстве и иммиграционных споров.

ДНК – наследственный материал у людей и почти всех других организмов.

ДНК-полимераза – фермент, который производит новую ДНК.

ДНК-фингерпринтинг – лабораторный метод расследования – нахождение связи между биологическим доказательством и лицом, подозреваемым в уголовном преступлении.

Дульбекко, Ренато – американский молекулярный биолог итальянского происхождения, открывший независимо от Альберта Кельнера фотореактивацию, названную репарацией ДНК.

Институт Солка, Институт биологических исследований Солка – независимое некоммерческое научное учреждение, находится в Ла-Хойе, Сан-Диего, штат Калифорния. Основан в 1960 г. Джонасом Солком, разработчиком вакцины против полиомиелита.

Интеркалировать – вставлять что-либо между слоями в кристаллической решетке, геологическом образовании или другой структуре, например ДНК.

Интрон – фрагмент молекулы ДНК или РНК, который не кодирует белки и прерывает последовательность генов.

Йениш, Рудольф – немецкий молекулярный биолог и генетик, создатель первой трансгенной мыши.

Йоханнсен, Вильгельм – датский ботаник, физиолог растений и генетик.

Келли, Ян – подозреваемый в деле об убийстве в Лестере (Англия), расследованном Алеком Джеффрисом.

Кельнер, Альберт – американский микробиолог, независимо открывший наряду с Ренато Дульбекко ферментную фотореактивацию.

Кернса – Сейра синдром – редкое нейромышечное заболевание.

Клонирование гена – процесс выделения и копирования (клонирования) интересующего нас гена из ДНК, выделенной из организма.

Кобб, Мэтью – британский автор книги «Величайшие тайны жизни» об истории геномики и генетики.

Кодон – термин, обозначающий три последовательных основания ДНК (триплет).

Компания Celera Genomics – частная биотехнологическая компания, основанная американским биотехнологом и предпринимателем Крейгом Вентером в 1998 г.

Крик, Фрэнсис – ныне покойный британский молекулярный физик, который в 1953 году вместе с Джеймсом Уотсоном расшифровал структуру ДНК.

Манн, Линда – женщина, найденная мертвой в Лестершире.

Маршалл, Майкл – автор книги «ДНК могла существовать задолго до зарождения самой жизни».

Матричная РНК (мРНК) – вид РНК, в которой генетическая информация, транскрибируемая из ДНК как последовательность оснований, переносится на рибосому.

Мезельсон, Мэтью – американский ученый-генетик и молекулярный биолог, профессор Гарвардского университета.

Мейоз – особый путь деления клеток, при котором число хромосом уменьшается вдвое и образуется четыре гаплоидные клетки, каждая из которых генетически отличается от родительской клетки, давшей им жизнь.

Мендель, Грегор Иоганн – чешско-австрийский биолог-генетик, монах-августинец, основоположник учения о наследственности.

Метаболизм – химические процессы (обмен веществ), происходящие в живом организме в целях поддержания жизни.

Микросателлиты – любые из многочисленных ДНК-сегментов, расположенных главным образом на концах хромосом, которые состоят из повторов не менее пяти, но не более 100 нуклеотидов; используются в ДНК-фингерпринтинге.

Митоз – тип клеточного деления, в результате которого образуется две клетки с одинаковым числом и типом хромосом, как и в родительском ядре.

Митохондриальная ДНК – внеядерная двойная спираль ДНК, обнаруживается исключительно в митохондриях, в большинстве клеток эукариот представляет собой кольцевую молекулу, наследуемую по материнской линии.

Митохондрии – продолговатые органеллы, которые можно считать клеточными генераторами энергии, преобразующими кислород и питательные вещества в аденозинтрифосфат (АТФ) – «валюту» химической энергии, которая питает метаболическую активность клетки.

Модельный организм – живые организмы, за исключением человека, используемые для исследования конкретных биологических явлений, которые предположительно помогут понять работу других организмов.

Молчащие мутации – мутации, не оказывающие заметного воздействия.

Мукерджи, Сиддхартха – американский врач и онколог индийского происхождения, получивший всемирную известность как автор книги 2010 года «Царь всех болезней. Биография рака».

Муковисцидоз – генетическое заболевание, поражающее дыхательную и пищеварительную системы, а также потовые железы, часто со смертельным исходом.

Мутация – изменение структуры гена, в результате которой образуется новая вариантная форма, которая может передаться последующим поколениям; вызывается изменением отдельных оснований в ДНК, удалением, вставкой или перераспределением больших участков генов или хромосом.

Наследственные мутации – мутации, наследуемые от одного или обоих родителей.

Неандертальцы – представители человеческого рода, отличные от современных людей, вымершие в результате климатических изменений или взаимодействия с современными людьми, которые переместились в среду их обитания 40–45 тысяч лет назад.

НИЗ – Национальный институт здравоохранения, находится в г. Бетесда, штат Мэриленд, США.

Ниренберг, Маршалл – американский биохимик и генетик, лауреат Нобелевской премии 1968 года по физиологии и медицине (совместно с Робертом Уильямом Холли и Харом Гобиндом Кораной). Внес весомый вклад в расшифровку генетического кода.

Нуклеарная ДНК – геном, находящийся в клеточном ядре.

Нуклеотид – один из структурных компонентов (строительных блоков) ДНК и РНК. Нуклеотид состоит из основания (одного из четырех: аденина, тимина, гуанина или цитозина), а также остатка сахара и фосфорной кислоты.

Обонятельные рецепторы экспрессируются в клеточных мембранах обонятельных нейронов; отвечают за обнаружение одорантов (соединений с запахом), в результате чего возникает чувство обоняния.

Оксфордский университет – британский коллегиальный исследовательский университет в Оксфорде, один из старейших в мире.

Основание – химическое составляющее (одно из четырех) ДНК и РНК: аденин, цитозин, тимин и гуанин. РНК вместо тимина содержит основание урацил.

Паабо, Сванте – шведский биолог-эволюционист, один из основателей палеогенетики. Руководил проектом «Геном неандертальцев».

Палеогенетика – изучение прошлого с помощью сохранившегося генетического материала останков древних организмов.

Пара оснований – два основания, расположенные напротив друг друга в молекуле двунитевой спирали ДНК.

Пенициллин – первый антибиотик, полученный Александром Флемингом в 1928 году из плесневых грибов.

Пигментная ксеродерма – генетическое заболевание, приводящее к нарушению репарации ДНК.

Пиримидины – основания тимин (Т) и цитозин (С) в ДНК, а также урацил (U) и цитозин (С) в РНК.

Питчфорк, Колин – преступник, осужденный за убийство двух женщин.

Плазматическая мембрана – мембрана, окружающая клетку снаружи.

Плазмида – кольцеобразная ДНК, которая инфицирует бактерии; часто используется в лабораторных манипуляциях с генами.

Полиморфизм длин рестрикционных фрагментов (ПДРФ) – различие в гомологичных последовательностях ДНК, обнаруживаемое наличием фрагментов разной длины после расщепления ДНК специфическими эндонуклеазами рестрикции.

Полипептид – линейный органический полимер, состоящий из большого числа остатков аминокислот, связанных в цепочку, и образующий часть (или всю) молекулы белка.

Приобретенные мутации – мутации, которые не передаются по наследству.

Проект «Геном человека» – международный научно-исследовательский проект, цель которого – определить последовательности пар нуклеотидных оснований, составляющих геном человека, а также идентифицировать и картировать все гены генома человека с физической и функциональной точки зрения.

Профлавин – химическое вещество, которое экспериментально использовали для интеркаляции между двумя парами оснований ДНК.

Псевдоген – участок ДНК, относящийся к реальному гену и обладающий некоторой функцональностью относительно этого гена.

Рентгеноструктурный анализ – метод, используемый для определения атомной и молекулярной структуры кристалла, при котором кристаллические атомы вызывают рассеивание (дифракцию) пучка падающих рентгеновских лучей во многих направлениях.

Репарация ДНК – процесс восстановления поврежденных или неправильных оснований в ДНК.

Репарация ошибочно спаренных оснований – процесс репарации ДНК, который исправляет ошибки спаривания оснований в ДНК.

Репликация ДНК – процесс копирования молекулы ДНК для воспроизведения ДНК.

Рестрикционный фермент – фермент, производимый главным образом определенными бактериями, который разрезает молекулу ДНК в специфической последовательности оснований или рядом с ней.

Рецессивный – имеющий отношение или обозначающий наследуемый признак, кодируемый генами, которые экспрессируются у потомства, только если они унаследованы от обоих родителей, т. е. когда они не подавляются доминантным признаком, унаследованным от одного из родителей.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) – нуклеиновая кислота, имеет, как правило, одну спираль (а некоторые вирусы – две), состоящая из повторяющихся нуклеотидов, рибозы, фосфатных групп и азотистых оснований; полимерная молекула, необходимая для выполнения различных биологических функций в процессе кодирования, декодирования, регуляции и экспрессии генов.

Рибосома – крошечная частица, состоящая из РНК и связанных белков; находится в большом количестве в цитоплазме живых клеток, связывает мРНК и транспортную РНК для синтеза полипептидов и белков.

Рибосомная РНК – рибосомная рибонуклеиновая кислота (рРНК) – это компонент рибосомы, необходимый для синтеза белков во всех живых организмах.

РНК-полимераза – РНК-полимераза (полимераза рибонуклеиновой кислоты, также называемая ДНК-зависимой РНК-полимеразой) – это фермент, производящий первичный транскрипт РНК в клетках. РНК-полимераза, необходимая для строительства цепочек РНК, использует гены ДНК как матрицы – процесс, называемый транскрипцией.

Секвенирование ДНК – метод получения последовательности оснований в ДНК.

Сперма – мутный вязкий секрет светло-серого цвета, вырабатываемый мужскими половыми железами и состоящий из сперматозоидов и семенной жидкости, выделяемых семенниками, семенными пузырьками, простатой и бульбоуретральными железами.

Сплайсинг генов – процесс, включающий вырезание части ДНК в гене и добавление новой ДНК на ее место.

Сплайсинг ДНК – удаление интронов («мусорных» последовательностей) из первичного транскрипта отдельного гена во время процесса транскрипции.

Сплайсосома – клеточная структура, которая удаляет интроны из транскрибируемой пре-мРНК, тип первичного транскрипта во время процесса транскрипции.

Стафилококк – семейство бактерий; существует более 30 типов, однако большинство стафилококковых инфекций вызывается Staphylococcus aureus (стафилококк золотистый).

Технология рекомбинантных ДНК – комбинация молекул ДНК двух различных видов, которые вводятся в организм-хозяин для получения новых генетических комбинаций, представляющих ценность для науки, медицины, сельского хозяйства и промышленности.

Тимин – одно из четырех оснований ДНК.

Транскрипция – процесс, с помощью которого информация в нити ДНК копируется в новую молекулу матричной РНК (мРНК).

Трансляция – процесс, в котором аминокислоты встраиваются в растущие полипептидные (белковые) цепи, когда антикодон транспортной РНК спаривается с транслируемым кодоном мРНК; этап биосинтеза белка, на котором генетический код, переносимый мРНК, расшифровывается для получения специфической последовательности аминокислот для полипептидной цепи; трансляция происходит после транскрипции.

Транспортная РНК – маленькие молекулы РНК, несущие аминокислоты в рибосому для полимеризации в белок.

Трансформация – глубокое и резкое изменение функции или внешнего вида.

Трансформирующее начало – новаторский эксперимент Фредерика Гриффита, проведенный в 1928 г., который показал, что в бактериальных экстрактах есть трансформирующее начало (фактор), изменяющее их функцию.

Триплетный код – стандартная версия генетического кода, в которой последовательность трех нуклеотидов в молекуле ДНК или РНК кодирует конкретную аминокислоту во время синтеза белка.

Уилкинс, Морис – британский физик и биолог родом из Новой Зеландии, лауреат Нобелевской премии, внесший немалый вклад в рентгеноструктурный анализ.

Уотсон, Джеймс – американский молекулярный биолог, генетик и зоолог, наиболее известный как соавтор Фрэнсиса Крика; в 1953 г. они предложили структуру двойной спирали молекулы ДНК.

Урацил – пиримидиновое основание, один из основных компонентов РНК, в которой он образует пару с аденином (А).

Уэмбо, Джозеф – американский писатель, автор книги «По следу крови».

Фенотип – видимые физические признаки организма, включающие внешний вид, развитие и поведение.

Фермент фотореактивации – фермент, восстанавливающий пиримидиновые димеры в ДНК.

Фермент – белок, который помогает ускорить биохимическую реакцию.

Физические генетические карты – карты, показывающие физическое расстояние между генами.

Флеминг, Александр – британский микробиолог, открывший миру первый антибиотик – пенициллин.

Фосфор – второй по количеству минерал в организме человека.

Фотореактивация – процесс восстановления пиримидиновых димеров в ДНК до их нормального монометрического состояния с помощью фермента фотореактивации.

Франклин, Розалинд – британский биофизик и ученый-рентгенограф, работавшая над расшифровкой структуры ДНК.

Хантингтона болезнь – наследственная болезнь, выражающаяся в дегенерации клеток мозга, вызывающая хорею и прогрессирующее слабоумие.

Херши, Альфред – американский ученый, работавший вместе с Мартой Чейз.

Хромосомы – тонкие нитеподобные структуры в клеточных ядрах, в которых содержится ДНК.

Цитозин – одно из четырех оснований ДНК.

Цитоплазма – жидкая внутренняя часть клетки, где находятся все внутриклеточные структуры.

Чейз, Марта – ныне покойный американский генетик, вместе с Альфредом Херши помогла подтвердить, что гены состоят не из белков, а из ДНК.

Эвери, Освальд Теодор – выдающийся американский бактериолог и врач-исследователь канадского происхождения, открывший, что гены состоят из ДНК.

Экзон – кодирующий участок гена, который содержит интроны.

Эксцизионная репарация – процесс удаления (вырезания) поврежденных и неправильных оснований ДНК.

Homo sapiens – лат.: человек разумный.

SETI (поиск внеземного разума) – некоммерческая научно-исследовательская организация, цель которой – исследовать и объяснить происхождение и природу жизни во Вселенной.

На русском языке книга Джеймса Уотсона вышла под названием «Двойная спираль. Воспоминания об открытии структуры ДНК» (пер. с англ. Брухнов М., Иорданский А.). М.: Мир, 1969. – Прим. ред.

Книга Brenda Maddox “Rosalind Franklin: The Dark Lady of DNA”” (New York: Harper Collins, 2002) на русском языке не издавалась. – Прим. ред.

На русский язык messenger RNA традиционно переводится как матричная РНК или сокращенно мРНК; именно этот термин используется далее в тексте. – Прим. перев.

Джеймс Д. Уотсон, Дэвис Кевин, Берри Эндрю. История генетической революции. Серия New Science / Перевод на русский язык. Издательство «Питер», 2019. – Прим. ред.

Джозеф Уэмбо. По следу крови / Пер. А.И. Базин, Ю.В. Москальченко. Издательство «Торнтон и Сагден», 2000. – Прим. ред.

Все АФК являются окислителями любых внутриклеточных молекул. – Прим. ред.

Сванте Пэабо. Неандерталец. В поисках исчезнувших геномов / Пер. Е. Наймарк. М.: АСТ, 2017. – Прим. ред.

Адам Резерфорд. Краткая история всех, кто когда-либо жил. История человечества, рассказанная через наши гены / Пер. Т. Мосолова. – М.: Эксмо, 2018. – Прим. ред.

Michael Marshall. DNA could have existed long before life itself // The New Scientist, 2012, vol. 21, p. 12. – Прим. ред.

Согласно зоологической систематике большого отряда приматов вид «человек разумный» (лат. Homo sapiens) относится к роду «люди» (лат. Homo) из семейства гоминид (лат. Hominidae) в надсемействе гоминоидов (лат. Hominoidea) или человекообразных обезьян. – Прим. пер.

Книга Сиддхартха Мукерджи, часто цитируемая автором (Siddhartha Mukherjee. The Gene – an intimate history. New York: Scribner, 2016), на русском языке не издавалась. – Прим. ред.