Scisne?

Глава вторая. ДНК. Рационализация биологии / Десять великих идей науки. Как устроен наш мир

Питер Эткинз

Комментарии: 22
<<< |1|2|3|4|5|6|7|8|…|14| >>>

Глава вторая. ДНК. Рационализация биологии

Почти все проявления жизни заложены на молекулярном уровне, и без понимания молекул мы можем иметь лишь весьма поверхностное понимание самой жизни.
Френсис Крик

Великая идея: наследственность закодирована в ДНК

Каждый из нас состоит почти из сотни триллионов самих себя. Каждая из наших клеток — а их примерно сто триллионов, и большинство их так малы, что понадобится около двух сотен, чтобы покрыть точку над i — содержит полную схему нашего тела. В принципе (всегда угрожающе подозрительный оборот речи) ваше тело, рассыпанное на свои сто триллионов клеток, могло бы породить сто триллионов вас, каждый из этих новых вас, рассыпанный снова, мог бы стать еще одной сотней триллионов, и вы с вашими клонами очень быстро достигли бы абсолютного доминирования во Вселенной. К счастью, имеются физические и биологические ограничения, делающие невозможным воплощение этой фантазии. Но даже рассмотрение такой возможности заставляет предположить, что мы в беспрецедентной степени осведомлены о клеточной природе жизни.

Мы осведомлены. Дарвин и его современники, возможно, за исключением одного монаха, ничего не знали о природе наследственности. Несмотря на то что они проницательно смотрели на мир природы и хорошо осознавали результаты конкуренции, крылья их понимания были подрезаны неосведомленностью о механизмах наследования. Наиболее почитаемым механизмом в то время была смешанная наследственность, при которой каждый из родителей сливает свои наследуемые характеристики в общий котел, которому предстоит стать их ребенком, и ребенок возникает из этой смеси. Тот факт, что подобное смешивание не смогло бы поддерживать естественный отбор, поскольку новые адаптационные свойства быстро размывались бы, использовался как сильный аргумент против точки зрения Дарвина и задерживал полное принятие его теорий. Аристотель, хотя и был замечательным искателем вопросов, давал обычно неверные ответы, снова и снова демонстрируя бесполезность размышлений в кресле, не подкрепленных экспериментом.[5] Замечая, что кровь омывает все органы тела, Аристотель назначил носителем наследственности кровь, и этот взгляд сохранился до сих пор в качестве метафоры. Он считал семя очищенной кровью, которая при копуляции смешивается с менструальной кровью и порождает следующее поколение.

Монахом, владевшим ключом, конечно, был Грегог Мендель (1822-84), названный Иоганном при рождении в семье фермера в Хайнцендорфе, на севере Моравии, провинции в Австрийской Силезии, позднее вошедшей в Чехословакию, ныне Чешскую Республику. Отец Менделя, Антон, был незадачливым малым, чье здоровье и средства к существованию были подорваны ботаникой в виде упавшего на него дерева. Антон продал ферму своему племяннику, так что смог вносить плату за сына, которому предстояло посвятить жизнь ботанике в школе в Троппау и затем в университете в Олмютце. Единственным способом получить дешевое образование для Менделя было поступление в монастырь Св. Томаша в Брюнне (теперь Брно) в возрасте двадцати двух лет, где он принял имя Грегор и был возведен в сан священника в 1847 г. Шагом, подготовившим его ум к малой арифметике наследственности, которую ему суждено было разработать позже, было направление в Вену для изучения наук и математики, чтобы стать учителем. Однако его успехи в учении были незначительны, особенно в биологии, и через два года он возвращается в монастырь, чтобы позднее стать его аббатом (1868).

Мендель был священником прихода в прелатстве имперского и королевского Австрийского ордена императора Франца-Иосифа, заслуживающим похвал директором Моравского ипотечного банка, основателем Австрийской метеорологической ассоциации, членом Моравского и Силезского общества поддержки агрокультуры, естественных наук и краеведения, и, что наиболее важно, садовником. В 1850-х гг., примерно в то же время, когда Дарвин записывал свои мысли, он начал исследования, сделавшие его посмертно знаменитым. Множество вопросов о достоверности его работы или работы его ассистентов поднималось — и энергично отводилось, — когда выдающийся статистик и генетик Рональд Элмер Фишер (1890-1962) объявил, что цифры, приводимые Менделем, вызывают подозрения. Позднее понимались вопросы, знал ли действительно Мендель, что он делает, и не является ли миф, выросший вокруг его достижений, скорее следствием нашей подслеповатости, чем его прозрения. Так, толчком к работам Менделя послужило желание понять скорее правила гибридизации, чем механизм наследственности. Мотивацией же была попытка реализовать преобладающую в то время точку зрения, что новые виды возникают из гибридизации, причем «устойчивые» гибриды и становятся новыми видами. Его безрассудной целью было создание новых видов, и он потерпел в этом оглушительное фиаско.

Мендель представил свои результаты — по существу, мрачный отчет о неудаче — в собрании общества естествоиспытателей Брюнна на заседаниях 8 февраля и 8 марта 1865 г. и опубликовал их как «Опыты над растительными гибридами» (Versuche über Planzenhybriden) в трудах общества в 1866 г. Эти результаты были полностью проигнорированы, если не считать вводящей в заблуждение цитаты в Die Pflanzen Mischlinge (1881) В.О. Фока, и пролежали незамеченными до 1900 г. Возможно, они были проигнорированы потому, что с современной им точки зрения описывали лишь неудачу в попытке выявить рациональные основы гибридизации, а дрейф Менделя в сторону административной работы также мог отражать его собственное разочарование в печальном исходе трудов всей его жизни. Затем три ботаника — Хуго де Врис в Голландии, Карл Эрих Корренс в Германии и Эрих Чермак фон Зейсенегг в Австрии — обнаружили, как они заявили, что сами того не зная, как они заявили, повторили его работу. В этих сообщениях имеется специфический привкус надувательства, поскольку было согласовано, что один из авторов (де Врис) отложит признание приоритета Менделя до той поры, когда окажется, что другой (Корренс) уже опубликовал подобную работу, так что де Врис, понимая, что так или иначе первенство придется уступить, объявил приоритет Менделя попыткой замутить блеск сообщения Корренса. Вся манера объяснений была выдержана в духе пренебрежения к работе Менделя тридцатипятилетней давности, и содержала утверждения, что он был вторгшимся в науку любителем, что он был слишком тесно связан с церковью, от которой ничего хорошего ждать не приходится, что его математические построения — даже в простой арифметике, которая ему требовалась — приводят в замешательство современных биологов. Истина может быть проще: до тех пор, пока де Врис, Корренс и фон Зейсенегг не вытащили на свет его работу и не взглянули на нее с более современной точки зрения, о механизме наследственности не появилось ни одной стоящей мысли.

Хотя Мендель провел свои исследования в девятнадцатом веке, их значение стало очевидным только в двадцатом. Теперь мы понимаем, что Мендель квантовал наследственность, подобно тому, как Планк квантовал энергию (см. главу 7). Теперь мы способны увидеть, что его достижением были свидетельства, которые привели к низвержению преобладающей тогда теории смешанной наследственности и к ее неизбежно последовавшей замене на теорию, в которой наследственную информацию несли дискретные единицы. В течение восьми лет его внимание было сфокусировано на садовом горохе (Pisum sativum), обладавшем множеством свойств, необходимых для проводимых им исследований. Во-первых, сама структура цветка довольно специфична и дает возможность либо легко скрестить два растения, либо, как это случается в природе, позволить им самоопылиться. Более того, это растение имеет ряд изменчивых характеристик: например, его лепестки могут быть белыми или пурпурными, его горошины могут быть округлыми или покрытыми морщинами, иметь зеленую или желтую внутренность, находиться в желтом или зеленом стручке, а его ростки могут быть кряжистыми или тонкими. Более того, и, возможно это было подлинной причиной, горошины имели достаточно низкую цену на рынке семян, занимали мало места и давали много ростков в относительно короткое время. Мы также можем подозревать, что гороховый суп удручающе часто появлялся в меню монастыря Св. Томаша. Единственным недостатком садового гороха было то, что он не слишком фотогеничен в пейзаже, и экспериментальный садик Менделя засадили, к удовольствию посетителей, более привлекательными бегониями (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Сад Менделя в его монастыре. Мендель использовал в своей работе обычный горох, что оказалось удачным выбором, отчасти из соображений экономии, но также и потому, что многие характеристики гороха генетически независимы. В настоящее время этот сад засажен бегониями.

Мендель хотел знать, каким способом гибридизация декоративных растений производит изменения, повторяющиеся в следующих поколениях. Он решил поискать систематическую схему, которая, как он считал, могла скрыто присутствовать в наблюдениях. В первые два года он решил убедиться, что его растения дают правильное потомство, что кустики зеленого гороха порождают зеленый горох, а кустики желтого гороха порождают желтый, и то же происходит с другими признаками. Потом он начал серию перекрестных опылений и самоопылений. Например, когда он скрещивал зеленый горох с желтым, весь горох в потомстве первого поколения (в так называемых F1 гибридах) был желтым. Однако, когда гибриды самоопылялись, три четверти гороха в следующем, F2, поколении были желтыми, а одна четверть зеленой. Таинственным образом первоначальный зеленый опять появился. Подобная схема, с тем же численным отношением, возникала, когда он скрещивал и потом самоопылял растения, проявляющие другие характеристики. Ясно, что схема проявилась, а схемы вопиют, требуя объяснения.

На основании огромного числа наблюдений Мендель построил гипотезу. Первым ключом для него стал тот факт, что его эксперименты приводят к вариантам с простыми числовыми отношениями. Чтобы найти объяснение дискретным числам, которые получались в этих отношениях, он предположил, что различие внутри каждой пары характеристик (зеленый и желтый горох, например) обусловлено присутствием в растении различных дискретных единиц. Мендель использовал термин «элемент», чтобы обозначить дискретные целостности наследственности, и употреблял термин «характер», когда обсуждал внешний вид, фенотип своих растений. Большинство его рассуждений проводилось в терминах этих наблюдаемых характеров, и только более поздние интерпретаторы обратили внимание на роль лежащих в основании «элементов». Эти целостности тогда получали множество различных наименований, но теперь повсеместно известны под именем, которое предложил в 1909 г. датский биолог Вильгельм Людвиг Иогансен, гены. Более точно, различные версии генов, ответственные за частные фенотипы, например, ответственные за цвет гороха, называются аллелями. Так, зеленый горох и желтый горох соответствуют разным аллелям гена, ответственного за цвет гороха.

Чтобы объяснить простые числовые отношения, установленные Менделем, предположим, что гены — мы будем использовать современный термин — существуют парами, причем каждому характеру соответствует одна пара, и что каждая гамета (яйцеклетка и сперма у животных, семяпочка и пыльца у растений) содержит один из этих генов. Тогда при зачатии (опылении у растений) мужская и женская гаметы соединяются случайно и объединяют индивидуальные гены обратно в пары. Мендель разделил наследуемые характеристики на доминантные и рецессивные, и задним числом мы можем видеть, что это разделение приложимо также и к генам. Поэтому, если доминантный аллель объединится в пару с рецессивным, фенотип проявит характеристики доминантного аллеля. Например, эксперименты Менделя показывают, что аллель желтого гороха является доминантным по отношению к аллелю зеленого гороха, поскольку при скрещивании дающего правильное потомство желтого растения с дающим правильное потомство зеленым растением все потомки являются желтыми.

Можно проиллюстрировать эти идеи символически. Обозначим аллель желтого гороха буквой Y, а рецессивный аллель зеленого гороха буквой у (в элементарной генетике есть соглашение: доминантный аллель обозначается буквой, указывающей на соответствующее свойство, в данном случае на английское слово yellow, желтый, а его рецессивный двойник такой же, но маленькой, буквой). Дающие правильное потомство желтый и зеленый горох обозначаются соответственно как YY и yy. Гаметы каждого растения обозначаются соответственно как Y и y. Когда их скрещивают, потомство должно быть Yy, и весь горох будет желтым, потому что желтый (Y) доминантен. Теперь самоопылим эти гибриды. Поскольку гамета растения Yy может случайным образом оказаться Y или y, потомки растений Yy будут четырех видов: YY, Yy, yY и yy. Только последний из них, yy, соответствует зеленому гороху (поскольку Y доминантен в Yy и yY), так что растения являются желтыми и зелеными в отношении 3:1, в точности как и наблюдал Мендель. Он сумел распространить эту простую схему на другие характеристики и их комбинации (зеленый и карликовый горох, к примеру) и в каждом случае обнаружил, что ожидаемые отношения подтверждаются. (Именно здесь Фишер подверг его статистику атаке, поскольку отношения не были точными, а разброс результатов — который мог возникнуть из-за систематической ошибки, сдвига в желаемую сторону, при решении вопроса, является ли горошина со слегка неровной поверхностью гладкой или морщинистой — вызывал подозрения.)

Не всякая наследственность является менделевской, в смысле подчинения законам Менделя с простой статистикой. Возможно, наихудший совет в истории экспертных советов был дан немецким ботаником Карлом Вильгельмом фон Нэгели из Мюнхенского университета, который не понял аргументов Менделя и предложил ему переключить свое внимание с гороха на ястребинку (Hieracium). Но ястребинка размножается путем соматического партеногенеза (т.е. неполовым путем), и едва ли есть что-либо менее подходящее для демонстрации менделевской наследственности. Мендель, должно быть, несколько приуныл, когда его опыты с ястребинкой привели в никуда и определенно не подтверждали его идеи. Он также был подавлен результатами опытов с бобами (Phaseolus), в которых так много генов отвечают за характеристики, которые он наблюдал, что ожидаемые им простые отношения, такие ясные для гороха Pisum, оказались скрытыми.

Существуют и более тонкие причины, по которым не вся половая наследственность является менделевской, так как некоторые гены сцеплены с другими, и наследование определенных пар характеристик не является случайным. Более того, многие гены плейотропны, в том смысле, что они управляют более чем одной чертой фенотипа, и организм не является взаимно однозначным отображением характерных черт в гены. Например, мутация фруктовой мушки Drosophila, героини многих генетических штудий, приводит к недостатку пигментации ее сложных глаз и ее почек (Malpighian tubules); в другой мутации не только крылья вытягиваются в стороны, но мушка также теряет несколько волосков по бокам. Даже статистика правильной менделевской наследственности может затеняться вторичными эффектами. Например, бесхвостая кошка имеет ген, назовем его t, который мешает нормальному развитию позвоночника у Tt кошек и дает в результате знакомый бесхвостый фенотип; но если дать кошке двойную дозу этого аллеля, она становится нежизнеспособной, эмбрионы tt умирают. «Самоопыляющиеся» Tt кошки дадут поэтому в потомстве, способном к появлению на свет TT, Tt и tT в отношении 1:2, вместо ожидаемого 1:3.[6]

Эта работа отдыхала тридцать пять лет, пока ее не откопали и с неохотой признали при, возможно, несколько темных обстоятельствах, о которых мы упомянули выше. Но пока наблюдения Менделя крепко спали, биология путешествовала по другой дороге, которой суждено было раствориться в них.

Заслуживающий цитирования немецкий биолог Эрнст Геккель (1834-1919) придумал для нас термин филогения, означающий эволюционную историю вида, и предположил, что «филогения повторяет онтологию», где онтология есть развитие индивида. Он имел в виду, что превращения, которым подвергается эмбрион при развитии в матке, являются ускоренной версией эволюции вида. Он также сделал предположение, имевшее чудовищные последствия через двадцать лет после его смерти, что политика представляет собой прикладную биологию. Более уместно для текущего обсуждения предположение, сделанное им в 1868 г., о том, что ядра биологических клеток содержат информацию, которая управляет наследственностью. Немецкий эмбриолог Вальтер Флеминг дал новый импульс этому предположению, когда в 1882 г. обнаружил, что ядра клеток личинки саламандры содержат крошечные стержнеподобные структуры, которые могут окрашиваться путем поглощения определенных красителей. Основываясь На этих наблюдениях, Вильгельм фон Вальдейер в 1889 г. предложил название хромосома («окрашенное тело»).[7]

Число хромосом в ядрах клеток, как известно, трудно сосчитать, поскольку они сплетаются, расплетаются и расползаются по ядру, пока оно не подвергнется делению, и тогда они начинают удваиваться и делиться. Животные, которых мы считаем малыми, а заодно и растения, обычно имеют меньше хромосом, чем мы: у нас их двадцать три пары, а у домовой мыши только двенадцать. Томаты, однако, имеют двадцать две, а картофель, к нашему стыду, двадцать четыре. И действительно, подсчет так труден, что долгое время число хромосом у человека считали таким же, как у шимпанзе (двадцать четыре пары); и только проглотив свою гордыню и признав, что число хромосом не связано с самоуверенным восхищением собой, мы смогли принять правильное число, двадцать три.[8]

На рубеже веков биологи стали подозревать, что хромосомы являются инструментом наследственности. Эти хромосомы зашагали в ногу с менделевской наследственностью в 1902 г., когда Уолтер Саттон (1877-1916), выпускник и сотрудник Колумбийского университета в Нью-Йорке, изучавший сперму кузнечиков (а именно, большого равнинного кузнечика, Brachystola magna, который встречается повсеместно на равнинах запада Соединенных Штатов и Мексики и имеет большие клетки и сносно видимые хромосомы), обнаружил, что парные хромосомы действительно делятся, причем разные члены каждой пары попадают в разные клетки. Открытие Саттона обычно называют теорией Саттона-Бовери, поскольку Теодор Бовери (1862-1915), немецкий биолог, работавший над яичниками морских ежей, объявил в 1904 г., что он тоже пришел к этой мысли, и как раз в то же время, что и Саттон. Бовери действительно внес (наряду с другими) несколько центральных идей, но более важно, что у него были влиятельные друзья.

На этой стадии мы можем заключить, что менделевские гены заключены в саттоновских хромосомах. Мир был подготовлен к новой науке, и в 1905 г. немного странноватый Уильям Бейтсон предложил термин «генетика», сначала в письме к кембриджскому зоологу Адаму Седвику, а затем, в 1906 г., публично на третьей международной конференции по гибридизации. О тяжеловесности его стиля, а возможно, и о высотах, которых достигла связь науки с общественностью за сто лет, можно судить по его замечанию,
что этот термин в достаточной мере указывает на то, что наши труды посвящены разъяснению феномена наследственности и изменчивости: другими словами, физиологии наследования, со всеми вытекающими из нее аспектами теоретических проблем эволюционистов и систематиков, и приложениями к практическим проблемам размножения, будь то животных или растений.
Прежде чем сделать следующий шаг в генетику и внутренний мир наследственности, нам необходимо узнать, что включают в себя два решающих процесса: митоз, деление соматических клеток (обычных клеток тела), и мейоз, образование гамет (спермы и яйцеклетки, пыльцы и семяпочки) в гонадах (половых органах) животных и в пыльниковых мешочках и завязях растений. Сложность последнего процесса является одной из причин, объясняющих, почему эволюция полового размножения так трудна для понимания и почему она была столь грандиозным эволюционным подарком (глава 1). Тем не менее перед Природой возникла задача, и мейоз — а это логически гораздо более сложная задача, чем митоз — появляется там и тогда, где и когда он необходим. Тут не учебник биологии, поэтому я приведу лишь эскиз этих двух процессов, подробный настолько, насколько это необходимо для понимания дальнейшего.

Сначала рассмотрим митоз, копирование соматических клеток. Жизнь клетки циклична, и лишь около десяти процентов ее времени отведено митозу. Остальное время, однако, критически важно, поскольку на его протяжении приготовляются многие вещества, которые будут использованы в акте копирования. Большую часть этого лежащего под паром, но плодородного, времени все двадцать три пары наших хромосом вытягиваются и сложным образом распределяются по ядру клетки. При наступлении митоза (рис. 2.2) хромосомы стягиваются в спирали, становясь более подготовленными к движению в разных направлениях. На этой стадии становится также видно, что каждая хромосома уже подверглась копированию, поскольку она уже состоит из двух идентичных стержнеподобных единиц, называемых хроматидами, соединенных вместе областями, называемыми центромериями, принимая облик, похожий на вытянутое X. Затем оболочка ядра расходится, и компоненты ядра вместе с окружающей цитоплазмой, сложной смесью составов и структур, находящихся внутри стенок клетки, но вне ядра, сливаются в одно. Хроматиды теперь растаскиваются в стороны, и между двумя отрядами хромосом (которыми мы теперь считаем разделившиеся хроматиды) начинает формироваться клеточная мембрана, новая мембрана ядра начинает возникать вокруг каждой копии, спирали хромосом разворачиваются, и мы получаем уже две идентичных клетки вместо одной.

Рис. 2.2. Процесс митоза, деление соматической клетки на две копии. Первоначально хромосомы распределены по всему ядру (изображаемому здесь в виде внутренней сферы). Когда деление начинается, хромосомы свертываются в спирали, удваиваются и образуют протяженные объекты в форме буквы X (здесь мы показываем лишь два из них; в клетке человека имеются двадцать три таких пары), состоящие из двух хроматид, соединенных центромериями. Хромосомы располагаются в линию на центральной плоскости, мембрана ядра разжижается, хромосомы разделяются и по отдельности выталкиваются в цитоплазму клетки. Затем мембрана ядра преобразуется, а мембрана клетки начинает закрываться вокруг каждого из новых ядер. Наконец, хромосомы раскручиваются, и мы получаем две идентичные диплоидные клетки (клетки со спаренными хромосомами) там, где первоначально была одна.

Теперь рассмотрим мейоз, образование гамет. Этот процесс гораздо более тонок, чем митоз, поскольку конечным выходом в нем должно быть формирование четырех клеток, каждая с одной половиной от пары хромосом (которых у человека двадцать три). Этот процесс является довольно сложным, поэтому давайте проследим его шаги на рис. 2.3, где мы сосредоточились на паре хромосом. Первоначально хромосомы сплетены вместе и заполняют ядро, но при начале мейоза они расплетаются и сжимаются. На этой стадии через микроскоп становится видно, что каждая хромосома удвоилась и состоит из двух хроматид, соединенных центромериями в форме обычного вытянутого X, в точности как при митозе. Теперь, однако, пара материнских и пара отцовских хроматид движутся вместе и формируют продолговатый объект, похожий на две стороны застежки-молнии. Каждая хромосома прикрепляется к оболочке ядра своими концами, которые называются теломерами («удаленными частями»); такая постановка на якорь, возможно, помогает одной стороне «молнии» найти своего партнера. Пока две удвоенные хромосомы лежат вместе, вещество в хроматиде, представляющей отцовскую составляющую, заменяется на вещество соответствующей области хроматиды, предоставленной матерью. Это мгновение, когда в организме происходит генетическое изменение.

Рис. 2.3. Процесс мейоза, образования гамет. Стратегией мейоза является превращение диплоидной клетки в четыре гаплоидных клетки (клетки с одиночными версиями хромосом) и создание генетической композиции родительских хромосом. Мы снова показываем лишь одну пару хромосом в родительской клетке. Первоначально две хромосомы распределены по всему ядру. Однако, когда начинается мейоз, они свертываются в спирали и удваиваются, чтобы образовать две пары соединенных между собой хроматид, так же как при митозе. Однако соответствующие пары сопряженных хроматид перемещаются вместе и, находясь по соседству, обмениваются генетическим материалом. Затем они мигрируют к центральной плоскости, где происходит первое деление, подобное происходящему при митозе (в деталях мы его не показываем) и дающее в результате две клетки с двумя хромосомами в каждой. Затем следует второе митотическое деление, в котором две хромосомы каждого ядра разделяются снова. Процесс оканчивается появлением четырех гаплоидных клеток, каждая из которых содержит хромосому, представляющую собой генетическую смесь двух хромосом клеток родителей. Воспроизведение теперь, на понятийном уровне, но не механистически, является обращением мейоза, в котором одна хромосома в гамете, предоставленной одним из родителей, соединяется с другой хромосомой, предоставленной другим родителем.

После этого временного затора в истории организма, процесса кроссинговера (взаимного обмена между парами хромосом), две пары гибридных хромосом растаскиваются по двум областям — что довольно похоже на митоз, — чтобы образовать две клетки, каждая из которых содержит пару хроматид. Это «первое митотическое деление» на иллюстрации. Затем во «втором митотическом делении» каждая из пар хроматид растаскивается на индивидуальные хромосомы, которые теперь занимают индивидуальные клетки. В этой конечной точке процесса у нас оказалось четыре клетки там, где была одна, а исходный генетический материал от обоих родителей распределился по всем четырем клеткам. Хромосомы одной из этих клеток могут содержать доминантный аллель Y гена желтого гороха; в другой может находиться рецессивный аллель y зеленого гороха. Арифметика Менделя уже почти готова войти в его сад. Обратим здесь внимание на еще одну грань науки: за простотой арифметических наблюдений может лежать огромной глубины сложность, в нашем случае сложность биологической клетки.

Теперь пришло время развернуть хромосому. Что на самом деле является веществом наследственности? Каково физическое воплощение генетической информации?

Мысль о том, что наследуемая информация кодируется химически, возникала уже в девятнадцатом веке, ибо где же еще ей в конце концов находиться? Примерно с 1902 г. и была принята точка зрения, что белки представляют собой нитеподобные молекулы (обычно свернутые в шарики), построенные из набора примерно двадцати аминокислот в определенной последовательности (подробнее об этом мы скажем ниже), и возник всеобщий энтузиазм по поводу идеи о том, что генетическая информация закодирована в белках, и различные последовательности аминокислот передают различные послания от одного поколения другому. Удивляло, однако, загадочное присутствие в клеточных ядрах молекул другого типа, названного, чтобы отметить его происхождение из ядра, «нуклеиновой кислотой». Они состоят из нитей, в которые входят единицы другого типа, о них речь пойдет позже. Эти нуклеиновые кислоты находили скучными и структурно слишком простыми для того, чтобы переносить огромное количество информации, содержащейся в хромосомах. Было широко распространено предположение, что они просто входят в структуру клетки, подобно тому как целлюлоза входит в структуру растений.

Эту точку зрения пришлось переменить в 1944 г. Биохимик, игравший на корнет-а-пистоне, Освальд Эвери (1877-1955), родившийся в семье британских иммигрантов в Новой Шотландии (Канада), но сделавший свою основополагающую работу в Соединенных Штатах, исследовал различные типы пневмококков, находящихся в полости рта у пациентов, больных пневмонией, и у здоровых людей. С 1923 г. было известно, что пневмококки (бактерии, вызывающие пневмонию) появляются в нескольких разновидностях: невирулентные (незаразные) формы выглядят неровными, в то время как вирулентные штаммы выглядят гладкими. Фредерик Гриффите (1879-1941), работавший в Министерстве здравоохранения в Лондоне над Streptococcus pneumoniae, показал, что неровные и гладкие формы могут быть превращены друг в друга. Эвери и его коллеги принялись за работу в 1930 г. и вскоре обнаружили, что трансформация одного типа бактерий в другой может быть получена в экстракте из клеток и что «источник трансформации», являющийся ее эффективным агентом, может быть выделен. Эвери затем сосредоточил усилия на выяснении природы источника трансформации. Он обнаружил, что протеаза, которая является ферментом, дезактивирующим белки, не влияет на активность источника, так что источник не является белком. Он обнаружил также, что липаза, которая является ферментом, разрушающим липиды, жировые субстанции, составляющие стенки клетки, также не дает эффекта, поэтому источник не является липидом. Выяснив, какие вещества не являются источником трансформации, Эвери продолжил серию опытов, и они показали, что источником была старая, скучная нуклеиновая кислота. Это смешало все карты, и нуклеиновые кислоты встали на путь карьерного роста, как Кларк Кент на путь Супермена, чтобы вдруг оказаться самыми интересными и важными молекулами в мире.

Не всех удалось убедить. Некоторые очень привязались к белковой теории наследования и настаивали в своих публикациях, что источником трансформации является, возможно, еще не выявленный белок, ассоциированный с нуклеиновой кислотой. Эта точка зрения была решительно отвергнута в последующие несколько лет. В 1952 г. Альфред Херши (1908-97) и его ассистент, студентка последнего курса Марта Чейз обнародовали результаты своих опытов на бактериофагах, вирусах инфицирующих бактерий. Они обнаружили, что элементарный фосфор присутствует в нуклеиновых кислотах, но отсутствует в белках, а сера присутствует в белках, но отсутствует в нуклеиновых кислотах. Затем, используя радиоактивные версии каждого элемента, они проследили их путь и показали, что в процессе инфицирования в клетку бактерии попадает только нуклеиновая кислота фага, а не его белок. Этот эксперимент убедил научный мир в том, что наследуемая информация закодирована в нуклеиновой кислоте.

Тем временем был достигнут прогресс в изучении структуры одной из нуклеиновых кислот, дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Это соединение было обнаружено в 1868 г. шведским врачом Фредериком Мишером в немецком городе Тюбингене в клетках из пропитанных гноем повязок, снятых с раненых солдат. Гной представляет собой в основном скопление белых кровяных телец, которые накапливаются для борьбы с инфекцией; хотя красные кровяные тельца млекопитающих не имеют ядер, у белых они есть, и они явились источником нуклеиновых кислот.

Чтобы понять все, что за этим последовало, нам нужно кое-что узнать о химическом устройстве ДНК. Лучше всего сделать это, разложив на части ее полное наименование, дезоксирибонуклеиновая кислота. Эта молекула подобна длинной нити, к которой регулярно по всей ее длине прикреплены другие молекулы. Сама нить построена попеременно из молекул сахара и фосфатных групп. Молекулой сахара является рибоза, близкая родственница глюкозы, из которой удален один атом кислорода (отсюда части «дезокси» и «рибо» в названии). Как можно видеть на рис. 2.4, рибоза состоит из простого кольца, содержащего четыре атома углерода и один атом кислорода, и всяких кусочков, прикрепленных к кольцу. Фосфатные группы, связывающие вместе кольца дезоксирибозы состоят из атома фосфора (вспомним опыты Херши), к которому прикреплены четыре атома кислорода. Позвоночником для ДНК служит чередование фосфатных и дезоксирибозных групп, достигающее сотен и тысяч повторений, подобное хрупкой жемчужной нити.

Рис. 2.4. Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Мы можем понять структуру этой сложной молекулы, взглянув, как она слагается из простых компонент. Слева вверху мы видим молекулу сахара рибозы. Эта молекула является кольцом из четырех атомов углерода (C) и одного атома кислорода (O), с различными частицами и кусочками, прикрепленными к нему. Теперь вообразите, что один атом кислорода, прикрепленный к атому углерода на юго-востоке кольца (стрелка 1), удален, чтобы получилась дезоксирибоза, а к другому концу молекулы прицеплена фосфатная группа. Теперь представьте, что молекулярная группа — нуклеотидное основание (смотрите на рис. 2.5, но представляйте комочек здесь) — прикреплена к одному из углеродных атомов кольца (стрелка 2), а фосфатная группа связана с другим углеродным атомом кольца (стрелка 3), чтобы образовать цепь, как показано справа. Это цепь ДНК.

Это позвоночник. К каждому кольцу дезоксирибозы прикреплены другие молекулы, называемые нуклеотидными основаниями. Термин «основание» в этом названии имеет техническое происхождение, так как в химии основными называют соединения, вступающие в реакции с кислотой: основными эти соединения делает присутствие атомов азота в их молекулах, верный признак основных соединений в химии. В ДНК встречаются только четыре нуклеотидных основания, а именно, аденин (обычно обозначаемый буквой A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). Аденин и гуанин имеют во многом похожие формы, с двумя углеродными кольцами и атомами азота, сцепленными вместе. Эти структуры характерны для класса соединений, которые химики называют «пуринами». Напротив, цитозин и тимин имеют лишь одно углеродное кольцо с атомами азота. Эти структуры характерны для класса соединений, называемых «пиримидинами». Чтобы вообразить молекулу ДНК, представьте себе, что одно из этих четырех оснований прикреплено к каждому кольцу рибозы на позвоночнике, причем выбор основания в каждом положении с виду случаен. Возможно, вы начнете понимать, почему люди считали ДНК скучной.

Рис. 2.5. Четыре основания, образующие буквы генетического кода. Аденин (A) и гуанин (G) являются пуринами, цитозин (C) и тимин (T) — пиримидины. (Не помеченные маленькие светло-серые атомы являются водородом.) Стрелками указаны атомы азота, формирующие связи с молекулами рибозы в ДНК.

Как только в ДНК увидели генетическое вещество, возник огромный интерес к деталям ее структуры. Туман над этой структурой начал развеиваться, когда австро-американский биохимик Эрвин Чаргафф (р. 1905), родившийся в городе Черновцы в западной Украине (входившем в Австрию под именем Черновиц) и эмигрировавший в Соединенные Штаты для работы в Колумбийском университете в Нью-Йорке, обратил свое внимание на эту проблему. В 1950, используя новую технику «бумажной хроматографии», которая позволяла разделять и идентифицировать тесно связанные виды соединений путем нанесения их смесей на полоску бумаги, Чаргафф обнаружил равные количества аденина и тимина и равные количества гуанина и цитозина, независимо от вида ткани, из которой он экстрагировал ДНК. Из этого следовало предположение, что аденин каким-то образом всегда ассоциирован с тимином, а гуанин всегда ассоциирован с цитозином. Он также обнаружил, что пропорции долей каждой пары оснований различаются от вида к виду, но являются одинаковыми для различных клеток одного и того же животного. Наблюдения показали, что существует не одна, а много ДНК, и что состав каждой ДНК специфичен для данного организма, в точности как если бы это была его светокопия. Чаргафф также обнаружил, что какие бы виды он ни использовал в качестве источника ДНК, полное количество пуринов (двойных колец аденина и гуанина) является таким же, как полное количество пиримидинов (одиночных колец цитозина и тимина). Вся эта информация оказалась, безусловно, решающей для распознавания структуры ДНК и, как выяснилось задним числом, является почти достаточной, чтобы понять структуру молекулы.

Роль ветра, который окончательно унес остатки тумана, сыграла информация, полученная с помощью экспериментов по диффракции рентгеновских лучей, которые провели новозеландец Морис Уилкинс (р. 1916) и Розалинда Франклин (1920-1958) в Королевском колледже в Лондоне, и дальнейшее развитие их результатов Френсисом Криком (р. 1916 в Нортгемптоне) и Джеймсом Уотсоном (р. 1928 в Чикаго) в Кембридже. Как уже в тысячу раз было пересказано, это была история надувательства, соперничества, напористости, рвения, враждебности, трагедий, женоненавистничества, мошеннических трюков, в большей мере, чем можно вообразить. Вероятно, нельзя считать слишком большим сюрпризом тот факт, что одно из наиболее важных открытий двадцатого века с неизбежностью вызвало к жизни наиболее человеческие эмоции и взаимоотношения.

Трагической фигурой, безусловно, была Франклин, умершая в тридцать семь лет от рака яичников, почти наверняка вызванного облучением рентгеновскими лучами, которыми она пользовалась в своей работе: жизнь не выдает своих секретов, не требуя жизни взамен. Соблазнительно было бы произвести Франклин из трагической фигуры в трагическую героиню и поставить ее в центр всей истории, но это не соответствует фактам. Факты этой очень человеческой истории выглядят следующим образом. Они должны дать абрис обстановки в Британии середины двадцатого века, когда с сегодняшней точки зрения отношение мужчин к женщинам было… неразвитым.

Уилкинс работал над ДНК в Королевском колледже, когда глава лаборатории, намереваясь построить рентгеновский аппарат, пригласил Франклин поработать в колледже и вложить в дело свои специальные познания в рентгеновской кристаллографии. Она приобрела эти познания, изучая микроструктуру угля в парижской лаборатории и была живо заинтересована в том, чтобы переключить свое внимание на живую жизнь в большей степени, чем на ископаемую. Было не вполне ясно, удастся ли ей совершить эту перемену места работы, поскольку Королевский колледж в то время запрещал женщинам находиться в его общей комнате.[9] Уилкинс отсутствовал в момент ее появления и, возвратясь, был приведен в замешательство ролью новой сотрудницы. Немедленно произошло столкновение темпераментов, и каждый из соперников создал свою лабораторию для работы над ДНК. Обе группы вскоре получили весьма неплохие рентгеновские фотографии нитей, образующих эту молекулу. На конференции в Неаполе Уилкинс встретил молодого американского биолога Джеймса Уотсона и показал ему свои изображения. Это побудило Уотсона начать работу над структурой ДНК, и в сентябре 1951 г. он отправился в Кембридж, чтобы изучить дифракцию рентгеновских лучей в лаборатории, которой заведовал сэр Лоуренс Брэгг, один из основателей рентгеновской кристаллографии. Здесь Уотсон встретил Френсиса Крика, как раз заканчивавшего докторскую диссертацию.

В ноябре 1951 г. эти два потока усилий столкнулись, один, имевший тщательно проделанные измерения, но лишенный отваги (или способности) предложить собственную их интерпретацию, другой со смелыми умозаключениями, но без ресурсов (или терпения) для проведения измерений. Уотсон приехал в Лондон и выслушал сообщение Франклин о ее работе. Он поторопился назад в Кембридж, где вместе с Криком они построили модель, которую считали соответствующей тому, что Уотсон смог запомнить из данных Франклин, и пригласили Лондонскую команду приехать и посмотреть на нее. Построение моделей — реальных физических моделей, собранных из проволоки и кусков металла — демонстрировало могущество техники в деле прояснения структуры белков, и Крик и Уотсон просто следовали моде своего времени. Лондонская команда приехала и немедленно отвергла модель как несогласующуюся с их данными. Они также отвергли и сам метод сооружения моделей, метод потенциально (а как оказалось, и реально) продуктивный. Более того, Брэгг приказал Крику и Уотсону прекратить работу над ДНК, оставив ее Лондонской команде, которой и принадлежал весь проект. Отношение к собственности в науке, так же как отношение к женщине, изменилось с тех пор: возможно, следующий шаг и отмечает поворотный пункт к будущему.

В 1952 г. Крик и Уотсон узнали, что Линус Полинг, весьма успешно исследовавший структуру белков, в которой Брэгг не разбирался, работает над той же проблемой. Если работает Полинг, решили они, значит, собственность на проблему уже ускользнула из рук лондонцев, и они имеют право работать над ней, как и любой другой. Далее случилось нечто немного странное. В этот момент Уилкинс без ведома Франклин показал Уотсону одну из ее рентгеновских фотографий (рис. 2.6), а Макс Перуц предоставил ему и Крику неопубликованный доклад в Совете медицинских исследований, в котором Франклин сводила вместе свои последние данные. Наконец-то они получили некоторые определенные числа, характеризующие размеры спиральной молекулы, и смогли подогнать к ней свою модель. Через несколько недель они уже имели возможность с триумфом отослать Уилкинсу свою знаменитую модель, и он ее получил. Трио публикаций, одна Крика и Уотсона, одна группы Уилкинса и одна группы Франклин (Франклин так никогда и не узнала, что Уилкинс воспользовался ее данными), появилось в Nature 25 апреля 1953 г. Две последних предоставили данные эксперимента, подтверждающие умозрения первой. Эта дата, 25 апреля 1953 г., является днем рождения современной биологии.

Рис. 2.6. Этот снимок дифракции рентгеновских лучей, полученный Розалиндой Франклин, был решающей для понимания детальной структуры ДНК частью экспериментальных данных. Он подтверждает, что эта молекула имеет форму двойной спирали, а детали фотографии могут быть использованы для определения размеров этой спирали.

Структура ДНК теперь повсеместно известна как знаменитая символическая правосторонняя двойная спираль, в которой одна длинная нить нуклеиновой кислоты обернута вокруг другой, образуя сплетенную пару (рис. 2.7), которая весьма похожа на сплетенные лестницы входа для публики в музее Ватикана[10], что выглядит немного иронично. Ключевым моментом, однако, оказывается то, что нуклеотидные основания одной нити являются парными к нуклеотидам другой (рис. 2.8), так что аденин всегда в паре с тимином (что мы обозначаем как A…T), а гуанин всегда вместе с цитозином (что обозначаем как G…C). Эта парность соответствует наблюдению Чарграффа, показавшему, что количество аденина в его образцах таково же, как количество тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина: комплементарность гарантирует равенство их количеств. Можно также отметить, что относительно маленький пурин (аденин и гуанин) всегда спарен с более крупным пиримидином (тимин и цитозин), поскольку таким способом поддерживается форма двойной спирали: два больших пурина попадают в выпуклость, а два маленьких пиримидина в снижающуюся часть витка спирали. Парность соответствует и другому наблюдению Чарграффа: количество пуринов (A+G) в образце равно количеству пиримидинов (T+C).

Рис. 2.7 Двойная спираль ДНК. Две нити нуклеиновой кислоты накручены друг на друга, образуя сплетенную двойную спираль с одним узким и одним широким желобом. Две нити удерживаются вместе водородными связями между основаниями, причем пуриновые основания (A, G), представленные длинными стержнями, связаны с пиримидиновыми основаниями (C, T), представленными короткими стержнями. Парными всегда являются А…T и G…C.


Рис. 2.8. Пары оснований, которые удерживаются вместе на нити ДНК, создавая двойную спираль. Водородные связи между молекулами представлены линиями. Заметьте, что пурин связывается с пиримидином и что объемы обеих пар приблизительно одинаковы.

Две нити нуклеиновой кислоты сцеплены между собой благодаря весьма специфическому виду химической связи, известному как водородная связь. Когда я говорю «специфический вид связи», я не имею в виду его малую распространенность, поскольку почти каждая молекула воды в каждом океане связана со своими соседями посредством этого вида, так что только в океанах есть 1044 таких случаев, не считая гораздо большего их числа в других местах. Водородная связь является специфической в том смысле, что она формируется необычным путем и только между несколькими определенными атомами, среди которых кислород и азот. При образовании этой связи атом водорода (который настолько мал, насколько вообще это возможно для атома) попадает между двумя другими атомами и, действуя подобно клею, связывает их вместе. Одним из ключей к пониманию двойной спирали является то, что, как видно на рис. 2.8, форма и расположение атомов азота, кислорода и водорода в тимине и аденине как раз подходят для формирования двух очень удобных водородных связей. Цитозин и гуанин тоже очень удачно подходят друг к другу, но образуют три водородных связи. Тот факт, что водородные связи много слабее, чем обычные химические связи, держащие вместе атомы устойчивых молекул, означает, что две составляющих двойной спирали могут довольно легко отрываться друг от друга, оставляя сами нити нуклеиновой кислоты неповрежденными, в точности так же, как испаряется вода без разрушения ее индивидуальных молекул.

Теперь мы способны понять, почему Уотсон и Крик смогли заключить свою короткую, но удивительную статью скромным замечанием:
От нашего внимания не ускользнуло, что специфический вид образования пар, который мы постулировали, немедленно предлагает возможный механизм копирования генетического материала.
Конечно, именно тот факт, что модель оказалась столь пригодной для объяснения копирования, и стал реальной причиной того, что она столь быстро была принята, несмотря на то даже, что детализированная, точная структура молекулы была установлена лишь в конце 1970-х гг. Чтобы понять суть этой привлекательной и неотразимой идеи, предположим, что две нити имеют следующие последовательности нуклеотидных оснований:

…АССAGTAGGTCА…

…TGGTCATCCAGT…

где первое A в верхней нити связано водородной связью с первым T в нижней нити, C таким же образом связано с G и так далее. Затем предположим, что нити разделились на

…АССAGTAGGTCА… и …TGGTCATCCAGT…

Теперь предположим, что в клетке существует запас нуклеотидных оснований. Тогда они будут прикрепляться к разделенным нитям, каждая из которых создает шаблон для создания новой нити, и сформируют

…ACCAGTAGGTCA… и …TGGTCATCCAGT…

…TGGTCATCCAGT… и …ACCAGTAGGTCA…

Теперь у нас есть две идентичных двойных спирали там, где раньше была одна. У нас есть репродуцирование!

На этом месте относительно легко установить соответствие с хромосомной моделью репродуцирования, которую мы обсуждали ранее в этой главе. Все, что нужно для этого сделать, это представить себе хромосому как нить ДНК. Тогда процесс митоза является просто — это слово, как всегда, нуждается в проверке — удвоением двойной спирали.

Теперь это слово — «просто». Одна из встающих перед нами проблем состоит в том, что молекула ДНК очень длинная: если ДНК человека из набора двадцати трех его хромосом (с одной молекулой ДНК в каждой хромосоме) вытянуть и соединить между собой, их длина окажется около метра, и все это хозяйство должно быть заключено в малюсенькое ядро клетки. Поскольку хромосомы являются двойными и в теле человека содержится около ста триллионов клеток, общая длина хромосом внутри каждого из нас огромна. Вспомним две сотни клеток, необходимых для покрытия точки над i: эти клетки содержат около 400 метров ДНК. Чтобы достичь такого чудесного мастерства в упаковке, двойная спираль наматывается на кластеры из молекул белка, называемые гистонами, которые работают как веретено. Затем эти веретена наматываются друг на друга, Катушка наматывается сама на себя, становясь суперкатушкой, а насколько туго она намотана, зависит от того, скатывались ли хромосомы так, как это происходит при митозе, или распространялись по ядру, как это бывает в остальное время жизни клетки (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Двойная спираль ДНК подвергается большому количеству скручиваний и сверхскручиваний при паковке в ядро клетки. Эта диаграмма демонстрирует детали упаковки. Внизу мы видим саму двойную спираль ДНК. Эта молекула обертывается вокруг молекул гистонов, изображенных в виде сфер, и результирующая катушка ДНК сворачивается, чтобы вышло сооружение из катушек, свернутых в катушку, показанное на третьем снизу уровне диаграммы. Эта катушка из катушек скручивается снова, снова и снова, чтобы достичь сверхскрученной упаковки молекул, и сама эта сверхскрученная молекула скручивается в хромосому, показанную наверху.

В ДНК человека имеется примерно 3 миллиарда пар оснований, а у маленького вируса только около пяти тысяч. Мы можем гордиться своей сложностью. Однако у тритона (Triturus cristatus) имеется 20 миллиардов пар оснований, что и для нас открывает перспективу. Мы можем, извиваясь подобно тритонам от такой неприятности, возражать, что большая часть ДНК избыточна. Возможно, у тритонов она в особенности избыточна, и могла возникнуть, когда на поздней стадии своей эволюции этот вид принял в свои клетки удвоенное количество хромосом (то есть стал «диплоидным», как мы), а до этого имел «одинарное» множество (то есть был «гаплоидным», как клетка гаметы).

Молекула ДНК есть хранилище информации, по существу представляющей собой послание, передаваемое через поколения. Это послание содержит всю информацию, необходимую для конструирования и поддержания организма, в котором оно обитает. Возникают очевидные вопросы: что это за информация, как она кодируется, как она интерпретируется?

Рабочими пчелами в улье из клеток-ячеек, который представляет собой живой организм, являются белки. Белки могут быть структурными, как в мускулах, хрящах, копытах, когтях и волосах, или могут быть функциональными, как в гемоглобине и бесчисленных ферментах, контролирующих процессы, образующие состояние «быть живым». Спецификация белков есть центральная функция наследственности, так что мы можем быть уверенными, что ДНК есть некий вид проекта или рецепта наших белков. Это подтверждено экспериментально, поскольку изменения ДНК влекут изменения белков. Чаще всего такие изменения приводят к плохому функционированию белков, которое мы называем болезнью. Но иногда они благоприятны, и в этом случае болезнь получает повышение до статуса эволюции.

Как мы уже упоминали, белки представляют собой нити маленьких молекул, называемых «аминокислотами» и имеющих базовую структуру, показанную на рис. 2.10. Более формально мы говорим, что белок есть полипептид, и типичные белки являются полипептидами, состоящими примерно из ста единиц аминокислот (в структурных белках это число может достигать тысяч). Полная экипировка человеческого тела, около 30 тысяч различных белков, сконструирована ровно из двадцати аминокислот, так что молекула ДНК должна определять последовательность, в которой эти двадцать аминокислот связываются вместе. Между прочим, здесь может найтись место для усовершенствований. Хотя организмы построены из этих двадцати компонент, существует бесконечное количество других аминокислот, и если бы Природа захотела расширить свой репертуар (как, возможно, она уже сделала на других планетах), она могла бы расчистить место для других аминокислот. Жизнь на других планетах вполне может быть построена из иных аминокислот, и нам придется быть осторожными в еде, когда мы туда попадем. Природа и в самом деле готовится к экспансии на Земле, поскольку двадцать первая аминокислота, селеноцистеин, в которой атом селена замещает атом меди, вдруг оказалась необходимой для некоторых ферментов, помогающих защищать клетки от наиболее опасного элемента, кислорода. Если бы вы прочли об этом, находясь на севере Центрального Китая, вы могли бы встревожиться, поскольку почва там содержит необычно мало селена, и вы рискуете получить синдром Кашина-Бека, который проявляется в проблемах с мускулами.

Рис. 2.10. Белок строится из аминокислот, каждая из которых имеет структуру, изображенную слева на этой иллюстрации. Серый эллипс различен для разных случаев, но все аминокислоты, фигурирующие в биологии, имеют общую схему. Когда две аминокислоты связываются вместе, атом углерода в группе -COOH (в правой части молекулы) прикрепляется к атому азота (в левой части молекулы). Множество аминокислот соединяются вместе так, чтобы образовать длинную цепь, как показывает структура справа. Вообще такая цепь называется полипептидом, а цепь из двух связанных аминокислот — дипептидом. Группа -CONH-, отмеченная затененной плоскостью в цепи, является пептидной связью. Мы говорим, что один пептидный «радикал» (остаток молекулы аминокислоты) связан с другим радикалом пептидной связью. Длинная цепь обычно скручивается в спирали, как можно видеть на фрагменте гемоглобина, изображенном на заднем плане, где спирали в виде лент изображают полипептидные цепи.

Поскольку молекула ДНК состоит из последовательности нуклеотидов A, C, G и T, естественно предположить, что они являются «буквами», из которых комбинируются «слова», кодоны, определяющие последовательность, в которой должны связываться аминокислоты. Поскольку есть только четыре буквы, а нам нужно определить двадцать аминокислот, вместе с указаниями, где им начинаться и кончаться, этот код, очевидно, не может быть ни однобуквенным, ни двухбуквенным. Однобуквенный код может идентифицировать только четыре аминокислоты, а двухбуквенный код способен идентифицировать только шестнадцать. Трехбуквенным кодом, в котором ACG обозначает одну аминокислоту, CAT другую, и т.д., можно определить 43=64 аминокислоты и знака пунктуации, что более чем достаточно. Подозревая Природу в естественной скупости (то есть в бессознательном, но эффективном использовании скудных ресурсов и в бессознательном, но эффективном избегании излишних затрат энергии), мы можем ожидать, что генетический код является триплетным кодом, кодом, основанным на трехбуквенных кодонах. Нет никаких априорных оснований для того, чтобы отвергнуть переменный код, в котором две буквы означают одни аминокислоты, три — другие и так далее; но Природа не приняла это неэлегантное решение, и проявила милосердие к ранним исследователям, вознамерившимся взломать генетический код, когда оказалось, что у них нет необходимости исследовать этот тупик. Одно из преимуществ триплетного кода состоит в том, что он позволяет Природе расширять свой репертуар, используя некоторую избыточность кода для кодирования новых аминокислот. Это уже дает намек на способ, которым может развиваться такое расширение. Как мы только что видели, иногда появляется двадцать первая аминокислота, селеноцистеин: триплетным кодом для этой аминокислоты является TGA. Он же используется как сигнал остановки и меняет свою функцию в зависимости от наличия селена. Если селен доступен, TGA говорит «даешь селеноцистеин», если нет, TGA командует «стоп машина, хватит строить этот белок».

Взломщики кодов все же исследовали тупиковые пути, иногда с большой элегантностью, но делали это в манере Аристотеля, сидя в кресле. Эксперимент вмешался снова и показал, что Природа не принимает наиболее элегантные, экономные схемы, которые выбрали бы люди, если бы власть была у них. Генетический код казался кодом, о котором взломщики кодов всегда мечтали, поскольку символов было так мало (четыре), а зашифрован был не приказ о наступлении, а всего лишь одна из приблизительно двадцати возможностей. В то время, в 1953 г., данных почти не было, ибо никто не знал ни одной нуклеотидной последовательности ДНК, а известные последовательности аминокислот в белках были известны весьма приблизительно: Фредерик Сэнгер (р. 1918) был близок к завершению своей дешифровки белка инсулина (которую он закончил в 1955 г.), но это было почти все. Открылось множество возможностей для неограниченного воображения.

Русский физик Георгий Гамов (1904-1968) бесспорно обладал неограниченным воображением, поскольку он инициировал теорию происхождения Вселенной в результате Большого Взрыва и придумал теорию происхождения элементарных частиц. Он интересовался всем, и вполне естественно, что его внимание привлекла самая животрепещущая проблема 50-х, генетический код. Гамов выдвинул блистательную идею: белки растут на внешней стороне двойной спирали в ромбоидальных полостях, расположенных в желобках спирали. Эти полости образованы четырьмя нуклеотидными основаниями, два из одной нити, на вершине и на дне ромба, а в двух других углах основание из той же нити и его партнер из другой. Это остроумное решение дает триплетный код, даже несмотря на то, что в него входят четыре нуклеотида, потому что два последних (пара комплементарных оснований, например, А…T) считаются за одну букву (ведь если одним основанием является А, то другим непременно будет T). Затем он представил себе, что аминокислоты располагаются в соответствующих им нишах, а пробегающие мимо ферменты скрепляют их вместе. Далее он предположил, что ромбы, связанные закручиванием горизонтально или вертикально, кодируют одну и ту же аминокислоту, и в результате остается только двадцать различных кодонов, как раз то число, которое, как он полагал, было необходимо. Изобретательность, однако, в этом случае заставила сделать ложный шаг, здесь не хватало избыточности и не было места для кодонов запуска и остановки. С оптимизмом, который порождается энтузиазмом, с оптимизмом, произошедшим из энтузиазма, Гамов думал, что он, видимо, нашел путь к решению проблемы.

Ромбический код Гамова обладает еще одним особым свойством: он является перекрывающимся кодом, в том смысле, что каждое нуклеотидное основание входит одновременно в три кодона. Так, последовательность AGTCTTG состоит из кодонов AGTCTTG, AGTCTTG, AGTCTTG, AGTCTTG и AGTCTTG. Перекрывающийся код очень эффективен и компактен, что, казалось бы, делает его для Природы привлекательным кандидатом на занятие должности. У Природы, однако, были иные идеи. Одна из проблем, создаваемых перекрывающимся кодом, состоит в том, что многие аминокислотные последовательности оказываются вне игры. Например, предположим, что мы хотим закодировать дипептид, очень маленький белок, состоящий из двух аминокислот. Его образцом является заменитель сахара аспартам, комбинация слегка модифицированных форм двух аминокислот, аспарагиновой кислоты и фенилаланина. Поскольку существуют двадцать естественно образующихся аминокислот, существует 20×20=400 возможных дипептидов. Чтобы закодировать две аминокислоты перекрывающимся кодом, необходимы четыре основания, например, CCGA, чтобы получить CCGA для аминокислоты пролина (которую означает данный триплет) и CCGA для аргинина. Но существует всего 4×4×4×4=256 возможных комбинаций из четырех нуклеотидных оснований, поэтому многие дипептиды не могут быть закодированы (аспартам является одним из них). Однако эти запрещенные комбинации начинают обнаруживать, а это показывает, что Природа не использует элегантность перекрывающегося кода: она требует большей гибкости для своих действий в непрекращающейся взыскательной игре эволюции. Сидни Бреннер (р. 1927) осуществил исчерпывающий анализ этой проблемы: он показал, что все возможные перекрывающиеся коды не совместимы с известными последовательностями аминокислот. Другим, даже более заметным гвоздем в этом, теперь уже плотно заколоченном, гробу явился тот факт, что изменение одной буквы может изменить состав белка сразу на три аминокислоты. Действительно, если бы цепочка AGTCTTG подверглась мутации AGGCTTG, то она состояла бы из кодонов AGGCTTG, AGGCTTG, AGGCTTG и так далее, возможно, со зловещими последствиями для белка и организма, который часто не может пережить замены даже одного основания.

Существовал еще один тупиковый путь среди экономичных и элегантных идей, к которым так благосклонны умозрительные физики и которые Природа с презрением отвергает. Это была проблема пунктуации. Как мы можем узнать, где начало? Даже в неперекрывающемся коде …AGTCTTG… возможны разночтения …(AGT)(CTT)(G…, …A)(GTC)(TTG)…, …AG)(TCT)(TG… и так далее. Различные выборы, представленные этими примерами, называются чтением кода скользящим окном. Крик предположил, что в клетке существуют механизмы только для определенных кодонов и что код должен быть таким, чтобы чтение скользящим окном приводило к чепухе. Предположим, что в приведенном примере правильным прочтением является …(AGT)(CTT)(G…, тогда AGT и CTT были бы подходящими кодонами, а чтение скользящим окном GTC и TCT было бы чепухой. Коды такого рода называются кодами без запятых, поскольку их можно однозначно прочесть без пунктуации. Если, имея в виду это ограничение, исследовать шестьдесят четыре кандидата в кодоны, оказывается, что легитимными могут быть только двадцать, в точности число, которое предполагалось и требовалось. Например, ТТТ не подходит, поскольку комбинация …TTTTTT… содержит неоднозначность, допускающую чтение скользящим окном: …(TTT)(TTT)… и …T)(TTT)(TT…. А раз оказалось, что этот код обеспечивает требуемое число кодонов и позволяет избежать проблемы чтения скользящим окном, он был немедленно и всеми принят.

Но только не Природой. Она раздавила своей пятой и этот вид неограниченного умозрения и остановила дальнейшее расточение пышных фантазий в 1961 г. Акт раздавливания зарегистрировали Маршалл Ниренберг и Генрих Маттей, которые показали, что TTT является вполне пригодным кодоном и что он означает фенилаланин. Так элегантный и экономный код без запятых был обращен в пыль.

Оказалось, что Природа блефовала в своей обычной бессознательной и непреднамеренно коварной манере. Она произвела самый простой код из всех возможных, не заботясь об избыточности и не обращая особого внимания на проблему чтения кода скользящим окном. Настоящий генетический код, который постепенно был собран по кусочкам в 1960-е гг., существенно избыточен, в нем до шести кодонов могут соответствовать одной и той же аминокислоте и три означают остановку (рис. 2.11). Как можно видеть задним числом, избыточность является очень умным ходом, поскольку уменьшает вероятность того, что «ошибки» копирования будут иметь фатальные последствия. Например, каждая из групп CCT, CCC, CCA и CCG кодирует пролин, так, что ошибки в последней букве не важны. Даже когда изменение одной буквы является значимым, результатом этого часто является замена одной аминокислоты на другую, ей подобную. К примеру, замена TTT на TAT приводит к замещению фенилаланина его кузеном тирозином. Код является в этом отношении почти оптимальным. В результате, поскольку все шестьдесят четыре кодона являются жизнеспособными, Природа имеет пространство для вариаций и экспериментов, как нам уже доводилось отмечать выше.

Рис. 2.11. Генетический код и структуры аминокислот в обозначениях трехбуквенных кодонов. Например, читая от центра, кодон UAC кодирует тирозин (Tyr). Заметим, что U означает урацил (рис. 2.12). Все аминокислоты имеют обозначения, показанные внутри круга. Заметим, что некоторые аминокислоты встречаются более чем в одном положении и что код существенно избыточен, особенно в своей третьей букве. Например, все тройки ACG, ACU, ACT и АСА являются кодом для треонина (Thr).

Вопрос о способе интерпретации кода внутриклеточными механизмами был третьим барьером, который надо было взять. Основная проблема состояла в том, что ДНК заключена в ядре клетки, в то время как синтез белка происходит в окружающей его цитоплазме. Молекула ДНК слишком велика, чтобы проникнуть в цитоплазму через мембрану ядра. Так каким же образом информация доставляется к месту своего использования?

В дело вступает рибонуклеиновая кислота (РНК), более примитивная версия ДНК. Рибонуклеиновые кислоты имеют ту же общую структуру, что и ДНК, состоящую из сахаро-фосфатного позвоночника с нуклеотидными основаниями, прицепленными к нему. Однако сахар является скорее рибозой, чем дезоксирибозой (поэтому Р в РНК находится на месте Д в ДНК), в которой дополнительный атом кислорода, изначально присутствующий в рибозе, не отщеплен. Кроме того, на месте тимина в РНК находится немного иной, но весьма похожий на него пиримидин урацил (U на рис. 2.12). Не вполне ясно, почему U здесь предпочтительнее, чем T, и почему в позвоночнике рибоза предпочтительнее, чем дезоксирибоза: возможно, это обусловлено несколько иной прочностью водородных связей, формирующих данную молекулу. Но главным отличием является то, что РНК состоит из одной нити. Это позволяет предположить, что первоначально РНК была субстанцией кодирования, но ее функция была перехвачена более устойчивой ДНК на ранней стадии эволюции. Такую точку зрения в определенной степени подтверждает то, что, как показывают наблюдения, РНК может иногда вести себя как фермент. Эта ее функция позволяет решить одну из проблем происхождения жизни: что было раньше, курица (ферменты, необходимые для того, чтобы генетический материал можно было использовать) или яйцо (генетический материал, необходимый для спецификации ферментов).

Рис. 2.12. Основание урацил, U, которое появляется на месте тимина в молекуле РНК. Урацил отличается от тимина потерей метиловой группы (СН3) в северо-восточном углу молекулы последнего. Стрелка указывает точку прикрепления рибозы, а точечные линии отмечают положение водородных связей, которые эта молекула образует с аденином.

Существуют два главных типа РНК, а именно, информационная РНК (иРНК) и транспортная РНК (тРНК). Сначала мы сосредоточим внимание на иРНК, поскольку она переносит в цитоплазму информацию, закодированную в ДНК. Цепочка иРНК становится носителем информации потому, что ее синтез производится способом, весьма похожим на образование копий ДНК, где одна нить ДНК выполняет роль фермента, РНК полимеразы, и используется как шаблон для создания иРНК. Используется только одна нить, но это не обязательно, та же самая нить, которая используется в хромосоме, и копирование всегда происходит в одном и том же направлении вдоль нити (здесь и речи не может быть о каком-то подобии Бетховену, исполняющему музыкальные произведения задом наперед). Копирование происходит почти с пулеметной скоростью, энергичная РНК полимераза копирует около тридцати оснований в секунду, и на запись полного комплекта ДНК одной клетки уходит семь часов. Примерно одно из миллиона оснований копируется с ошибкой, но ферменты, корректирующие чтение, всегда на страже и исправляют большинство ошибок, оставляя около одной на 10 миллиардов оснований. Когда процесс копирования доходит до кодона «стоп», иРНК заканчивает свое формирование и транспортируется от ДНК и далее, через поры в мембране, в цитоплазму, неся в себе точную информацию.

А дальше нас ждут рибосомы (рис. 2.13). Эти ловкие маленькие органеллы (специализированные компоненты клетки с особыми функциями) образуются путем соединения белков и РНК, упакованных в две отдельных капельки, которые затем объединяются в одну функциональную единицу, прикрепляясь к иРНК, чтобы выйти из ядра клетки в опасный химический мир цитоплазмы. Другой компонентой цитоплазмы, на которую нам следует обратить внимание на этой стадии, является транспортная РНК, нуклеиновая кислота, которая реально создает белки.

Рис. 2.13. Рибосома состоит из двух компонент неодинакового размера, которые соединяются вместе, чтобы образовать единый объект (справа), когда начинается копирование. Каждая из этих частей является маленькой фабрикой. Большая компонента обычно состоит из двух молекул рибосомной РНК (рРНК) с длиной 2900 и 120 оснований соответственно и около тридцати двух различных белков, в большинстве случаев в одном экземпляре. В маленькой компоненте имеются одна молекула рРНК длиной в 1540 оснований и по одной копии каждого из двадцати одного различного белка.

На рис. 2.14 в различных формах показана конструкция молекулы тРНК. В ней есть две важных части. Петля антикодона является инструментом, опознающим кодоны в иРНК. Например, если кодоном является CGU, кодирующий аргинин, то антикодоном будет дополнительная последовательность GCA, которая может найти кодон CGU, выбирая парные водородные связи и приклеиваясь к нему подобно застежке-липучке. Другой важной частью является место крепления на конце цепочки нуклеиновой кислоты. Это еще одна часть молекулы, подобная застежке-молнии, содержащая последовательность нуклеотидов, способную прикрепляться к одной и только одной аминокислоте, в данном случае аргинину.

Рис. 2.14. Молекула транспортной РНК (тРНК). Биологические молекулы столь сложны, что, в зависимости от черт, которые мы намереваемся отобразить, приходится пользоваться для их описания различными представлениями. Слева мы видим схематический план расположения оснований (квадраты) и общую форму молекулы. Антикодон является частью, которая служит для определения последовательности кодонов в информационной РНК, а соответствующая аминокислота прикрепляется к месту, показанному на схеме. Вторая иллюстрация демонстрирует индивидуальные связи в реальной молекуле тРНК (это РНК дрожжей фенилаланина). Чтобы дать более полное представление, на третьей схеме показан скелет ее структуры, наложенный на структуру связей. Наконец, на четвертой схеме показаны все атомы и дается представление об объемном заполнении формы молекулы, но детали нам (но не другим молекулам) различить трудно.

Теперь мы можем посмотреть, что происходит в цитоплазме, когда рибосома захватывает кусочек иРНК. Рибосома задерживается у первого кодона, и различные молекулы тРНК пытают счастья, но не прилепляются из-за того, что их антикодоны оказываются неподходящими (рис. 2.15). Затем подходит молекула тРНК с антикодоном для GUU и валином, прилепленным к ее месту крепления. Она приклеивается и дает возможность рибосоме передвинуться к следующему кодону, который может оказаться AGC. В свой черед мимо проплывает тРНК с антикодоном для AGC, неся молекулу серина, которую она захватила, столкнувшись с нею где-то в цитоплазме. Антикодон сцепляется с кодоном, располагая свою молекулу серина рядом с молекулой валина; фермент отрывает валин от его тРНК и прикрепляет к молекуле серина, формируя дипептид валин-серин, а освобожденная первая тРНК потихоньку отбывает в раствор для бессознательного поиска следующего валина. Теперь рибосома проскакивает к следующему кодону, и процесс повторяется. Постепенно цепочка белка растет и исходная информация, записанная в ДНК ядра, превращается в настоящий белок. Жизнь продолжается.

Рис. 2.15. Синтез белка, управляемый информационной РНК (иРНК, отрезок букв на печатной ленте), и действие транспортной РНК (тРНК). Это действие происходит внутри рибосомы, которая здесь не показана. Молекула тРНК с антикодоном CAA, несущая молекулу валина, подплывает к кодоновой последовательности GUU. Вскоре другая тРНК, на этот раз с антикодоном UCG и нагруженная молекулой серина, подходит и опускается на свой кодон, представляющий последовательность AGC. Затем молекулам валина и серина присоединяются ферменты, создавая дипептид валин-серин, отработавшая тРНК с кодоном CAA отплывает куда-то на поиски другой молекулы валина, а рибосома передвигается к следующему кодону и ожидает прибытия подходящей молекулы тРНК и ее аминокислоту. Таким образом полипептидная цепь растет, следуя порядку, определяемому иРНК.

Теперь мы можем подвести следующий итог сказанному. Центральная догма генетики гласит: поток информации и активности течет по пути ДНК → РНК → белок. Лишь в очень редких случаях (как мы увидим позднее) информация течет от РНК к ДНК. Предполагаемая неспособность белка влиять на ДНК согласуется с тем, что ламаркианское наследование приобретенных признаков (о которой шла речь в главе 1) не соответствует действительности.

Теперь, по-видимому, становится очевидной неоценимая важность раскрытия структуры ДНК, но существует еще множество ответвлений, которых нам также следовало бы коснуться. Я говорю «ответвления», но на самом деле это горы вопросов, на решении которых сегодня сосредоточены усилия многих ученых, это безграничный мир современных исследований.

Во-первых, структура ДНК связана с обсуждавшейся в главе 1 эволюцией в качестве ее молекулярного базиса. Воспроизведение и запись никогда не бывают совершенными: даже нуклеотиды и аминокислоты делают ошибки при группировании вслепую, в соответствии с формой и электрическим зарядом, прикрепляясь наилучшим из возможных способов, но иногда оказываясь в неправильном положении. Они не способны исправить ошибку, пока не будут перемещены в другое положение в момент приближения или формирования новой связи. ДНК может неверно воспроизвестись при создании следующего поколения, молекула иРНК может ошибиться при считывании ДНК, молекула тРНК может приклеиться не к тому кодону, и даже правильно прикрепленная тРНК может нести не ту аминокислоту. Однако все эти ошибки, за исключением первой, преходящи, они влияют на клетку, но не на тело в целом. Только первая, называемая соматической мутацией, влияет на все тело, ибо неверный шаг на раннем этапе развития организма будет воспроизводиться и воспроизводиться, пока не наполнит его целиком. Когда происходит мейоз и образуются гаметы, мутировавшая ДНК входит в зародыши потомства и готова к тому, чтобы быть переданной этому хитроумно устроенному способу расширения тела, следующему поколению. Такой тип мутации называется герминативной мутацией.

Ясно, что воспроизведение это опасный бизнес, в нем можно сделать так много неверных шагов. Можно быть уверенным, что этот процесс обладает значительной устойчивостью, что мутации возникают нечасто, иначе нас тут не было бы. Конечно, в один прекрасный день нас (нашего вида) и не будет. Одной из причин долговечности ДНК является то, что каждая клетка имеет изощренные полицейскую и ремонтную службы, которые идентифицируют мутации и исправляют их. Другая причина в том, что ДНК содержит много мусора, участков, называемых интронами, которые просто вышли погулять и ничего не кодируют (не «символизируют»). Части ДНК, имеющие серьезные намерения, участки с активными кодами, называются эксонами. Если мутация происходит в интроне, это не имеет последствий для организма, так как данный генетический материал не символизирует белка. Огромная доля нашей ДНК является интронным мусором, поскольку Природа в своей, как говорят, элегантной и экономичной, а на самом деле неряшливой манере не обременяет себя подметанием ставшего ненужным мусора, а просто тащит его через поколения. Это довольно странно, поскольку означает, что огромная часть точнейшего ресурса и энергии уходит на распространение бесполезных вещей. Возможно, мусор имеет функцию, о которой мы пока не знаем. Возможно, это совершенный способ обеспечения передачи через поколения информации, никогда себя не проявляющей, чтобы не подвергать риску сопутствующую явную активность. Мусор в ДНК может быть чистой, вечной, невыразимой информацией, не имеющей другой цели, кроме бесцельного существования. Эта бесцельная часть ДНК ведет роскошную жизнь, поскольку 98 процентов ДНК, которую мы таскаем в себе, является мусором, и лишь 2 процента приносят пользу, кодируя белки.

Легко вообразить себе разнообразие мутаций ДНК. Мутация подстановки основания представляет собой замену одного основания другим. Некоторые подстановки основания являются молчащими, в том смысле, что мутировавший кодон кодируется, теми же основаниями, что и первоначальный, так что это не влияет на результирующий белок. Однако другие подстановки основания могут изменить послание, и серьезность последствий зависит от того, в какой степени замещающая аминокислота в результирующем белке отличается от первоначальной. Мутации добавления и уничтожения состоят в добавлении или уничтожении пары оснований: они могут нарушать интерпретацию ДНК, потому что вместо …ATGGTCT…, читаемого как …(ATG)(GTC)(T…, уничтожение второго T приводит к тому, что послание читается как …(ATG)(GCT)(…, и с этого места белок может строиться совсем по-другому и функционировать неправильно. С другой стороны, он может сделать более прочными челюсти гепарда или более чувствительными органы обоняния оленя.

Мутации могут быть спонтанными или индуцированными. Спонтанные мутации происходят с постоянной скоростью и образуют «молекулярные генетические часы», которые постоянно отсчитывают время в биосфеpe. Скорость мутаций данного гена приблизительно постоянна, поэтому регистрируя число аминокислот, которыми различаются друг от друга два вида, мы можем судить о времени, прошедшем с тех пор, как они отделилась от общего предка. Именно этот род информации мы имели в виду в главе 1, когда отмечали, что эволюция предсказуема, поскольку не было ни одного случая, когда информация этого рода пришла бы в конфликт с информацией о последовательности видов. Молекулярные часы также дают количественное подкрепление кладистическим диаграммам поколений подобным фрагменту на рис. 1.2), добавляя к ним шкалу времени. Кроме того, мутации могут быть индуцированы вышедшими из-под контроля воздействиями окружающей среды, такими, как облучение ядерной и ультрафиолетовой радиацией, попадание в организм химикалий и окисление опасными кислородсодержащими веществами, такими, как свободные радикалы (молекулы кислорода с дополнительным электроном): такова плата за использование кислорода и борьбу за долголетие.

Хотя центральная догма утверждает, что поток информации течет от ДНК через РНК к белкам, мы отмечали, что существуют исключения. Ретровирусы состоят из молекулы РНК, имеющей одну нить, которая для воспроизведения себя обычно использует имеющую две нити молекулу ДНК своего хозяина. Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), вирус, вызывающий синдром приобретенного иммунного дефицита (СПИД), является ретровирусом: он атакует иммунную систему и открывает тело для неподконтрольных инфекций. Этот вирус выделили в 1983 г. Люк Монтанье в институте Пастера в Париже, Роберт Галло в Национальном институте рака в США и Джей Леви в университете Калифорнии в Сан-Франциско. Вирус ВИЧ прикрепляется к Т-лимфоцитам, белым кровяным тельцам определенного типа, которые содержат свою РНК и фермент, называемый обратной транскриптазой. Эти молекулы попадают в окрестность молекулы ДНК в хромосоме, и фермент синтезирует ДНК-версию вирусной РНК и копию этой вновь образованной ДНК. На этой стадии возникает версия вирусной РНК в виде ДНК из двух нитей. Эта ДНК встраивается в ДНК хозяина, а затем из новой ДНК с помощью репликаторного механизма клетки синтезируется вирусная иРНК. Теперь вирусная иРНК интерпретируется так, что производит белки, необходимые для построения большего количества вирусных частиц. Эти частицы потом отпочковываются от клетки, используя часть стенки клетки как свою защитную мембрану. Такой процесс уничтожает оболочку лимфоцита и неизбежно убивает его, уменьшая возможности организма сопротивляться атакам других инфекций. Считается, что ретровирусы также являются возбудителями различных видов рака, включая некоторые виды, обнаруживаемые у человека.

Рестриктивный фермент — это фермент, вырабатываемый разными видами бактерий, который способен опознавать частные последовательности нуклеотидных оснований в молекуле ДНК и перерезать ее в этом месте. Фрагменты ДНК, произведенные таким способом, могут соединяться вместе с ферментом, называемым лигазой. Кусочки ДНК, которые могут воспроизводиться независимо от ДНК клеток хозяина, в которых они выросли, называются векторами; они включают плазмиды, круглые молекулы ДНК, обнаруживаемые в бактериях. Молекулы векторов, которые имеют встроенные секции ДНК, называются рекомбинантами ДНК. Эти векторы производят множество копий частных кусочков ДНК, умножая исходный материал и продуцируя большое количество клонов ДНК. Поселенцы колонии, сформированной таким способом, могут быть желанным приобретением, как в производстве продукта генетической инженерии инсулина, или — как при генной терапии — могут быть возвращены в исходный организм.

Более современные методы изменения ДНК включают прямую технику микроинъекции, в которой генетический материал, содержащий новые гены, вводится в клетки реципиента посредством стеклянной иглы с тонким концом. Клетка после этого выглядит как своя собственная (или, по крайней мере, как чужая собственная) и создает механизм, с помощью которого безотказно снабжает генами ядра клеток хозяина и встраивает эти гены в них. Гены также можно встраивать, создавая поры в мембране клетки и предоставляя входящим генам возможность искать собственный путь внутрь. В химическом порообразовании клетки погружают в раствор специальных химикалий; в электропорообразовании клетки подвергают действию слабого электрического тока. Если вы полагаете, что эти техники слишком уж рафинированы, вы можете прибегнуть к биобаллистике, в которой маленькие осколки металла одевают в генетический материал и затем просто выстреливают в клетку. Тут мне вспоминается сцена в одном из фильмов про Индиану Джонса, где, после того как его оппонент продемонстрировал замечательно отработанные приемы традиционного фехтования, Джонс случайно выстрелил в него.

Раз уж мы заговорили о стрельбе, то еще одним важным следствием понимания структуры ДНК является ее использование в судопроизводстве в форме ДНК-профилирования, или, говоря менее формально ДНК-дактилоскопии. Настоящая дактилоскопия, снятие образцов узора на коже подушечек пальцев, была предложена как способ опознания подозреваемых в 1880 г. Генри Фаулдзом, шотландским врачом, работавшим в Токио. Вскоре после этого она была использована для снятия подозрений с невиновного и для опознания преступника в совершенной там ночной краже со взломом. Через сотню лет, после того как Алек Джеффрис в 1984 г. в университете в Лестере создал ДНК-дактилоскопию, опознание личности продвинулось от кончиков ее пальцев к каждой клетке ее тела. Нам следует усвоить две черты этой техники: одна — умножение микроскопических количеств ДНК, другая — реальная дактилоскопия. ДНК-профилирование является столь важной техникой в судопроизводстве, в установлении родственных связей и в эволюционных исследованиях, что оно претерпело чудовищно бурное развитие за последние двадцать лет, обрастая различными особенностями, для использования в различных обстоятельствах. Дадим краткое описание типичного подхода.

Кэри Муллис (р. 1944), изобретатель полимеразной цепной реакции (ПЦР), говорит, что эта идея пришла ему в голову в 1983 г. во время поездки при лунном свете в горах Калифорнии, где, должно быть, пролегает одна из приятнейших дорог к завоеванию Нобелевской премии. Полимераза, напомним, является ферментом, который помогает копировать нить ДНК, используя ее как шаблон; тот же фермент можно использовать в искусственной среде. Чтобы последнее стало возможным, фермент необходимо обильно снабжать нуклеотидными основаниями и двумя праймерами, представляющими собой короткие последовательности приблизительно из дюжины нуклеотидов; это позволяет реакции продолжаться. Сначала, при нагревании смеси, нити ДНК разделяются (ДНК «плавится»), затем раствор охлаждают, чтобы праймеры могли прикрепиться к соответствующим частям нитей ДНК — молекулы праймеров проталкиваются до тех пор, пока не найдут свое точное дополнение, а затем сцепляются с ним — и действовать как ограничители той части молекулы, которую надо скопировать. В конце температуру снова повышают до значения, при котором полимераза может эффективно функционировать, и на шаблоне растет комплементарная нить. Поскольку фермент должен выдерживать высокие температуры фазы плавления, он экстрагируется из бактерий, таких как Thermus oguaticus, которые живут в горячих источниках. Полный цикл занимает около трех минут. Затем его повторяют снова и снова, от тридцати до сорока раз, постепенно производя десять миллионов копий лоскутков исходной ДНК, лежащих между маркерами праймеров (рис. 2.16). Это означает, что даже из микроскопического образца ДНК нужная область может быть увеличена и сделана пригодной для экспертизы.

Рис. 2.16. Последовательность диаграмм, показывающих, как действует полимеразная цепная реакция (ПЦР). Вверху слева мы видим представление двойной спирали ДНК-мишени. На первом шагу (слева ниже) нити разделяются, и к каждой из них прикрепляются праймеры. Ферменты выращивают комплементарную нить по шаблону, предоставляемому каждой из нитей. Сдвоенные нити плавятся снова, и праймеры прикрепляются к каждой из них. Далее ферменты, как и раньше, строят комплементарные версии нитей, но теперь в смеси появляются копии ДНК, лежащие между двумя праймерами и несущие последовательность, повторяющую мишень, и после ряда повторений они начинают доминировать.

Сама техника профилирования использует полиморфизм наших генов, тот факт, что молекулы ДНК могут существенно различаться у разных индивидов. Например, мусор в интронах нашей ДНК может содержать длинные последовательности бессмысленной ДНК, накопившиеся во время мейоза. Здесь мы сосредоточимся на изменчивом числе тандемных дупликаций (ИЧТД), как, например, переменное число фрагментов …CGATCGATCGATCGAT… в одной и той же области ДНК, накопленных разными индивидами. Поскольку эти тандемные дупликации лежат в интронных областях, они ничего не означают, и индивид, как и любой наблюдатель, совершенно неосведомлен об их существовании, если только это не вариации эксонов, например, ответственных за карий или голубой цвет глаз (последний является результатом отсутствия коричневого пигмента).

Теперь предположим, что мы пользуемся ПЦР, чтобы приумножить ту часть молекулы ДНК, которая у индивидов обладает повышенной полимофностью. Действие ограничительных ферментов, таких как АluI, которые пропихиваются, пока не найдут последовательность AGCT, защелкнутся на ней, а затем перекусят молекулу, или EcoRI, которые прикрепляются, когда наткнутся на GAATTC и режут в этой точке, будет делить умноженные области ДНК на множество фрагментов разных размеров, зависящих от числа тандемных дупликаций у индивида. Затем образец протаскивается сквозь гель с помощью приложенного электрического тока, этот процесс называют электрофорезом. Поскольку маленькие фрагменты могут проскользнуть через лес перекрестных связей в геле легче, чем большие фрагменты, образец разделяется на ряд полос, которые выглядят немного похожими на торговый штрих-код (рис. 2.17). Картина полос является изображением спектра тандемных дупликаций в образце и, следовательно, характеристикой индивида.

Рис. 2.17. Результаты ДНК-дактилоскопии жертвы, преступника и трех подозреваемых. Профили ясно указывают на подозреваемого 1 как на виновного.

С помощью этого метода или его усовершенствованных вариантов насильники заносятся в книгу, невинность становится очевидной, цари идентифицируются, псевдо-Анастасии разоблачаются, эволюционные связи устанавливаются, разбойников ловят по единому волоску, дети воссоединяются со своими семьями (не в последнюю очередь в Аргентине, где все семьи были брутально перетасованы), а отрекающихся отцов находят, несмотря на их протестующие крики о целомудрии. Не много на свете таких молекулярных достижений — создание пенициллина и противозачаточных пилюль имели подобное же значение, которые оказали такое прямое воздействие на общество.

Одним из наиболее амбициозных проектов двадцатого века было установление всех нуклеотидных последовательностей в геноме человека. Эта задача по существу, конечно, неразрешима, поскольку каждый, кто когда-либо жил (за исключением идентичных близнецов), имеет индивидуальный геном. Однако различия в составе эксонов достаточно невелики, и «типичный геном» является разумным понятием: лишь примерно одно основание на тысячу различно у разных индивидов, так что индивиды отличаются один от другого всего тремя миллионами букв, большая часть которых бессмысленна. Возможно, в один прекрасный день мы сможем выписать свой собственный геном и отнести его своим врачам (а может быть, и в наши страховые компании), а геном ребенка будет определяться при рождении: эта информация будет пригодна для записи на DVD и будет храниться в течение всей жизни.

Масштаб такой задачи можно оценить, если подумать о размере человеческого генома. В вашем геноме около 3 миллиардов нуклеотидных оснований. Книга содержит около миллиона букв, поэтому ваш геном эквивалентен библиотеке из 3000 томов. Допустим, что вы считаете себя по-настоящему искусным химиком, способным определять порядок оснований со скоростью одна штука в час, проводя серию реакций и опознаний их продуктов с помощью стандартных лабораторных техник. Три миллиарда часов составляют 34 000 лет работы. Чтобы достичь цели за десять лет, а не за это смехотворно большое время, вам пришлось бы работать в 3400 раз быстрее, двигаясь по ДНК со скоростью одно основание в секунду, двадцать четыре часа в день, семь дней в неделю. Чтобы быть уверенным в результате, вам придется повторить эту работу несколько раз. Десять повторений могло бы дать последовательность, достойную доверия, если бы вы перебирали основания со скоростью десять штук в секунду.

Как это ни удивительно, цель была успешно достигнута. Подобно двум предыдущим решающим шагам в генетике, первичному квантованию наследственности, проведенному Менделем, и модели ДНК Уотсона-Крика, проект «Генома человека» был переполнен столкновениями приоритетов и прав собственности. Здесь не место приводить подробности о геномных войнах, которые велись главным образом вокруг вопроса о моральности утаивания информации, касающейся генома человека, велись ради самого тонизирующего из эликсиров, личной выгоды. Этот вопрос полностью исчерпали в других публикациях его главные герои, неистовый Крейг Вентер (р. 1946) и гуманный Джон Салстон (р. 1942), не говоря уж о других важных участниках, Фрэнке Коллинзе и Эрике Ландере. Перепалка омрачила момент человеческой истории, которому предназначалось стать вершиной ее достижений; но такова жизнь, и таков, в частности, ее геном. Через несколько лет проявления враждебности будут забыты, как Франко-прусская война, а помнить мы будем лишь само достижение и пути, которые привели к нему.

Решающая процедура состояла в определении каждого нуклеотидного основания в каждой нити ДНК каждой хромосомы. Процедура основывалась на исследованиях Фредерика Сенгера, в ходе которых он после успешной расшифровки белка обратил свое внимание на ДНК и в 1977 г. определил все 5375 оснований вируса fX174. Его процедура состояла в следующем. Сначала Сенгер синтезировал новую нить ДНК, комплементарную к шаблону из одной нити таким способом, что последняя буква несла радиоактивную метку (была молекулой, в которой один атом заменен его радиоактивным изотопом). Чтобы достичь этого, он включил в обычную смесь ферментов и нуклеотидов одну модифицированную версию нуклеотида, называемого дидеоксинуклеотидом. Когда модифицированный нуклеотид вступает в дело, он останавливает копирование и выдает обрезок ДНК, завершающийся помеченным основанием. Затем он повторил процедуру с дидеоксинуклеотидами по отношению к другой тройке букв алфавита. Так как фрагменты обрывались на разных позициях молекулы шаблона, каждый шаг давал молекулы ДНК различной длины. Когда эта смесь протаскивалась сквозь запутанную чащу молекул, создаваемую гелем, молекулы разной длины разделялись и проявлялись на разных участках рентгеновского снимка. Модификация метода, применяемая в программируемых машинах-автоматах, состоит в использовании меток с разными цветами флюоресценции, где A дает красный цвет, C — зеленый и так далее. Элементы этой последовательности можно распознавать электронным способом.

Вторым решающим шагом является постановка этой процедуры на конвейерную основу и получение возможности распознавать тысячи оснований за час. Здесь существуют два основных подхода. Один состоит в работе с последовательностью известных обрезков ДНК. При другом, «пулеметном», подходе ДНК дробят на мириады кусочков, а затем исследуют состав этой смеси. В последнем случае задачей является восстановление последовательности ДНК по ее фрагментам. На этом этапе центральную роль в восстановлении начинают исполнять суперкомпьютеры. Вообще говоря, подход с известными фрагментами является более точным, а пулеметный подход более быстрым. На практике каждый из них поддерживает другой.

Первый эскиз генома человека был обнародован в 2001 г., примерно через пятьдесят лет после определения структуры ДНК и почти через сто лет после обнаружения работы Менделя и возникновения генетики.



5. Размышления в кресле, связанные с экспериментом, конечно, чрезвычайно продуктивны и являются ядром научного метода.

6. Различная окраска глаз бесхвостых кошек не связана с их бесхвостостью.

7. Вальдейер был щедр на названия, слово «нейрон» тоже изобрел он в 1891 г.

8. Во время написания этого текста хорошо известная электронная энциклопедия все еще сообщает, что это число равно двадцати четырем.

9. Здесь я не имею права иронизировать: в общую комнату моего собственного колледжа в Оксфорде женщины не допускались до 1970-х гг.

10. Фотографию этой двойной спирали можно найти на сайте:
http://www.planetware.com/photos/scv/rvatms3.htm.
<<< |1|2|3|4|5|6|7|8|…|14| >>>
Комментарии: 22