ДНК, наследственный материал

Догадка Дарвина представляется тем более замечательной, если вспомнить, что в его время ничего еще не было известно о физической основе эволю­ции. Лишь спустя столетие биологам удалось установить, какой конкретный механизм отвечает за дарвиновское «происхождение, сопровождаемое модификацией».

Грегор Мендель, сравнительно малообразованный монах августинского монастыря на территории современной Чехии, был современником Дарвина и читал «Происхождение видов», но два ученых, по-видимому, не были знакомы лично. Мендель был первым, кто показал дискретный характер наследования. Многолетние опыты с горохом на монастырском огороде позволили ему заключить, что наследственные факторы, участвующие в формировании таких признаков, как сморщенная или гладкая поверхность горошин, подчинены математическим законам. Мендель не знал, что такое ген, но его наблюдения заставляли предположить существование чего-то подобного.

В течение 35 лет на эти исследования почти никто не обращал внимания, а затем произошло одно из тех удивительных совпадений, которые иногда случаются в истории науки. На рубеже XX в. труд Менделя практически одновременно (в течение нескольких месяцев) заново открыли трое других ученых. Арчибальд Гаррод, изучая «врожденные нарушения метаболизма» — редкие заболевания, встречавшиеся в семьях некоторых из его пациентов, — смог убедительно показать, что законы Менделя распространяются на людей и расстройства передаются по наследству по схеме, выявленной Менделем для растений.

Конечно, факт передачи по наследству определенных признаков — например, цвета кожи или глаз — был известен каждому, кто пристально наблюдал за нашим видом, но Мендель и Гаррод внесли в представления о наследовании математическую специфику. Механизм, стоявший за этими моделями, оставался, однако, неясным, поскольку никому не удавалось проследить химическую основу наследственности. В первой половине XX в. исследователи в основном предполагали, что наследуемые признаки передаются через белки, в силу большого разнообразия белковых молекул в составе живых организмов.

Лишь в 1944 г. Освальд Т. Эйвери, Колин М. Маклауд и Маклин Маккарти сумели в ходе микробиологических экспериментов выявить роль ДНК в передаче наследуемых признаков. О существовании ДНК на тот момент было известно уже почти сто лет, но ее считали всего-навсего «набивкой» клеточного ядра, не представляющей особого интереса.

Менее чем через десять лет Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик первыми нашли решение вопроса о химической природе наследования, оказавшееся поистине красивым и элегантным. История бешеной гонки, итогом кото­рой стало открытие в 1953 г. структуры ДНК, подробно описана в занимательной книге Уотсона «Двойная спираль». Уотсон, Крик и Морис Уилкинс, пользуясь данными, полученными Розалиндой Франклин, смогли определить, что молекула ДНК представляет собой двойную спираль — как бы скрученную веревочную лестницу, — а записанная в ней информация определяется химическими компонентами, составляющими «ступеньки» этой лестницы.

Будучи химиком и понимая, насколько необычайны свойства ДНК и как блестяще она решает проблему кодирования «чертежей» живых организмов, я преклоняюсь перед этой молекулой. Позвольте мне рассказать и вам о ее красоте.

У молекулы ДНК (см.рис.4.1) — целый ряд замечательных свойств. Ее внешний остов состоит из однообразно чередующихся фосфатов и Сахаров, а все самое интересное спрятано внутри. «Ступеньками лестницы» служат пары химических компонентов — нуклеиновых (азотистых) оснований, — которых насчитывается четыре. Они условно обозначаются начальными буквами своих химических наименований — А, С, G и Т (аденин, цитозин, гуанин и тимин).

Каждое основание обладает специфической формой, причем А соответствует Т и только вместе с ним может образовать «ступеньку», a G соответствует С. Это так называемые «комплементарные пары». Таким образом, существует четыре возможных типа ступенек: А-Т, Т-А, C-G и G-C. Если какое-то основание в одной из цепочек двойной спирали окажется повреждено, его легко будет восстановить, обратившись ко второй цепочке: единственная допустимая замена для Т (к примеру) — тоже Т. И — может быть, самое элегантное — двойная спираль прямо в себе содержит способ самокопирования: каждая из цепей способна служить шаблоном для создания новой. Если расщепить пополам все комплементарные пары, разрезав «лестницу» по серединам «ступенек», каждая половинка будет содержать всю информацию, необходимую для восстановления точной копии первоначальной молекулы.

Таким образом, в первом приближении можно рассматривать ДНК как сценарий или программу, записанную в ядре живой клетки. Эта программа закодирована на языке, в алфавите которого всего четыре буквы (или, используя компьютерную терминологию, букве соответствуют 2 бита). Каждая ее команда — ген — состоит из сотен тысяч букв кода, и гены определяют все сложнейшие функции клетки даже в таких организмах, как человеческий.

Рис. 4.1. Двойная спираль ДНК. Информация задается порядком нуклеиновых оснований (А, С, G и T). ДНК упакованы в хромосомы, которые находятся в ядре каждой клетки

Сначала ученые не представляли себе, как в действительности «выполняется» программа. Разгадкой стало выявление «матричной РНК» (сокращенно мРНК), в которую копируется информация ДНК, соответствующая определенному гену. Молекула РНК представляет собой одинарную цепочку — как бы половинку веревочной лестницы со свисающими вбок ступеньками. Эта цепочка выходит из ядра клетки (хранилища информации) в цитоплазму (весьма сложную смесь белков, жиров и углеводов) и затем попадает в рибосому — удивительную фабрику по производству белков. В рибосоме происходит трансляция — считывание матрицы и построение по ней молекулы соответствующего белка. Последовательность из трех нуклеиновых оснований кодирует одну аминокислоту. Именно белки обеспечивают работу клетки и отвечают за ее структурную целостность (см. рис. 4.2).

Это краткое описание дает лишь очень поверхностное представление об удивляющем и восхищающем ученых изяществе строения ДНК, РНК и белка. Возможных трехбуквенных комбинаций из букв А, С, Т и G, как легко посчитать, 64, а аминокислот — всего 20. Это означает, что генетический код обладает встроенной избыточностью: например, последовательность GAA в коде ДНК и РНК означает глутаминовую кислоту, GAG — ее же.

Исследования многих организмов, от бактерий до людей, показали, что генетический код, определяющий, каким образом информация, записанная в ДНК и РНК, должна транслироваться в белок, един у всех известных живых существ. Язык жизни не испытал Вавилонского столпотворения. GAG соответствует глутаминовой кислоте и в почвенной бактерии, и в горчичном семечке, и в аллигаторе, и в вашей тетушке Гертруде.

Эти успехи дали начало новому научному направлению — молекулярной биологии. Открытие множества других миниатюрных химических чудес, включая белки, действующие как клей и как ножницы, позволило ученым манипулировать молекулами ДНК и РНК, сшивая вместе кусочки молекулярных программ, взятых из разных источников, и получая в результате так называемые рекомбинантные ДНК. Отсюда родилось еще одно новое направление — биотехнология, которая, наряду с другими достижениями, обещает революционные сдвиги в лечении многих заболеваний.