Знакомьтесь: молекула ДНК

Уже полвека прошло с момента открытия Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном структуры ДНК и около ста тридцати лет – со времени открытия нуклеина швейцарским врачом Фридрихом Мишером. Всего пятьдесят лет потребовалось, чтобы записать и расшифровать тысячи генов в молекуле ДНК. И почти сто лет (до 1953 года), чтобы безвестные нуклеиновые кислоты заняли достойное место в науке. Это обычное явление: современники порой не могут по достоинству оценить величайшие научные достижения. Но вдруг совершается еще одно, другое, третье открытия… вроде бы не связанные с начальным… и оказывается, что незамеченное на самом деле оказалось незаурядным. Когда Мишер сообщил о выделенном им нуклеине и о его кислотных свойствах, даже он не знал цены своему открытию (хотя предполагал, что за изучением этих «ядерных» небелковых веществ будущее биохимии). Был еще безвестный монах Мендель, на досуге выращивающий горох. Мендель опубликовал работу об опытах по передаче наследственных признаков (на примере своего гороха) в 1865 году. В конце XIX века общество не интересовалось какими-то нуклеиновыми кислотами и глупым горохом. О Менделе вспомнили только в начале нового века. Датский биолог Вильгельм Иогансен назвал в 1909 году единицы наследственности генами (от гр. genos – род, происхождение). И лишь в конце двадцатых – начале тридцатых годов XX века американец Томас Морган выдвинул хромосомную теорию наследственности (впервые прозвучало, что передачу информации в клетке осуществляют хромосомы, содержащие гены). А то, что вся наследственная информация записана на определенные носители, установил в 1944 году другой ученый – Эвери, специалист по мушкам-дрозофилам, – и оказалось, что эти носители уже известны едва ли не столетие – это наши знакомые дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты: ДНК и РНК. Крик и Уотсон лишь смоделировали структуру ДНК. Но это был прорыв в будущее. С тех пор работы по изучению двойной спирали ДНК не прекращались. Теперь они привели к расшифровке генома человека.

Вся информация о наследственности собрана в двадцати трех парах хромосом, плотно упакована на высококачественном материале ДНК, на каждой ее спирали. При сборке новой конструкции-клетки она копируется на дискету-РНК и переносится транспортной РНК в нужное место нового изделия. Так что любая новая клетка собирается по изначальному плану – по той ДНК, которая когда-то образовала новый живой организм, используя генетический код матери и отца. Расшифровать этот код – значит понять, как устроена жизнь. Я думаю, что небезызвестное клонирование – только первая ступень к чему-то большему, значимому, весомому. Это один из этапов обучения тому, как из ничего – из набора для биохимических опытов – сотворить жизнь. Такая маленькая задачка для ученого-творца.

Но как это сделать? Пока ученых удивляет, что лишь около полутора процентов всей ДНК занимает белковая часть генов. Белковая, то есть такая, где сосредоточена масса нужной для строительства информации. Почему остальная часть генома похожа на пустыню? Или мы просто не понимаем, какого типа информация хранится на этих «немых» участках?

Я уже говорил, что понятная для нас часть ДНК копируется молекулами РНК. Но… это ведь полтора процента всей молекулы! Если остальные девяносто восемь с половиной процентов не содержат информации, как объяснить, что эти области не «усохли»? Зачем глупые РНК-строители каждый раз повторяют пустоту?

Мы пока не знаем значения этих «пустот». Возможно, эти незакодированные части молекулы служат защитой для кодированных областей ДНК от нападения вирусов. Есть мнение, что пустые концевые участки хромосом необходимы для сохранения видовой информации, именно они позволяют распознавать данные на носителе. Именно они исключают возможность видовой совместимости (это объясняет, почему от генетически далеких животных не может появиться потомство). Тогда «пустые» области – преграда для вторжения чужеродной ДНК.

Именно в «пустотах» обнаружены «кочующие участки», или транспозоны, которые могут менять свое расположение в геноме. Обнаружены и странные по плотности генные области, которые несут почти в двести раз больше информации. Эти участки – зоны повышенной опасности. В них генетическая активность способна пробудить «спящие» ретровирусы и спровоцировать развитие таких болезней, как рак или СПИД. На этом факте основывается теория, сущность которой заключается в том, что вирус иммунодефицита необходим для полноценного зачатия: если он подавлен, то происходит отторжение развивающегося эмбриона (РНК-строители читают информацию от «отцовской» половины ДНК как чужеродную и разрушают зародыш). Если же ретровирус в «хорошей форме» – эмбрион приживляется. И выходит, что опасный ретровирус просто необходим на ранней стадии формирования новой жизни!

Если посмотреть на хромосомы как на карту клеточного мира, то окажется, что одни хромосомы заселены генами гуще, другие – беднее. Например, девятнадцатая хромосома несет настолько важную информацию и такими огромными блоками, что любое повреждение малейшего участка этой хромосомы заканчивается внутриутробной смертью зародыша. А мужская Y-хромосома бедна генами, зато переполнена обрывочной информацией, характера которой мы пока не знаем.

Очень значимое отличие хромосом человека состоит в том, что они не имеют стабильной плотности информации. Области с высочайшей плотностью информации чередуются с «пустыней», где нет генов. У бактерий или мушек-дрозофил, например, плотность записи информации стабильна. Но человек организован гораздо сложнее мушки! Значит, «пустоты» – признак уровня развития? Не в «пустотах» ли происходят все генные подвижки, не там ли формируются новые наследственные признаки?

Чего еще мы не знаем? Многого. Например, расположения «выключателей». Хорошо известно, как создаются новые гены (неважно, плохие или хорошие).

Они не рождаются, потому что ДНК так захотелось. Новые изменения обычно появляются на основе «старого материала», иногда даже «древнего». Мы знаем, что катализаторами процессов создания новых генов служат фрагменты генов ретровирусов (иначе – мобильные гены). Эти «чужеродные» обломки выступают в качестве генетических ножниц и иголок. Мобильные гены «разрезают» молекулу ДНК на фрагменты, а затем «сшивают» ее в другом порядке, перетасовывая участки ДНК между собой. В случае наиболее простой перетасовки «право» и «лево» или «верх» и «низ» меняются местами. Но нередко «разрезка» и «сшивка» вообще не поддаются анализу, точно создание нового происходило случайно. Случайны ли случайные чередования генов в ДНК?

И во всех ли случаях получается читаемый текст или сборочный чертеж? Не во всех. Часто искажается или полностью повреждается смысл, парализуются функции генов. Считается, что из миллиона бессмысленных сочетаний несколько (или одно) оказываются достойными запоминания. Они тут же заносятся в память ДНК. Считается также, что эволюция заносит в память лишь победы, но кто сказал, что в непрочитанном нами геноме нет записей о поражениях? Ведь удается же при репликации генов избежать несовместимых с жизнью ошибок. Если бы ДНК не помнила своих неудач, человечество имело гораздо больше генетических заболеваний (то есть болезней, связанных именно с неправильной установкой генетических блоков). Однако количество болезней не так велико, и тут ясно, что при неудачных попытках образования генетических связей срабатывает механизм стирания неправильной информации. Вполне возможно, что часть «пустых» пространств – результат этого уничтожения ключевых слов.

В отличие от существ, стоящих на более низких ступенях эволюции, человек имеет, может быть, не столь разнообразный набор букв генетического алфавита, но гораздо более изощренные связи между буквами, гораздо более разнообразные белковые варианты.

Тут придется упомянуть сингулярный нуклеотидный полиморфизм (снип, или СНП). Это мельчайшие различия в строении тех или иных белковых образований даже у ближайших родственников. У более отдаленных по родству людей и различия больше. Иногда снип отличает один ген одного человека от подобного гена у другого всего одной буквой. Но наличие или отсутствие одной буквы может дать, например, высокий иммунитет или склонность к иммунонедостаточности… Именно от снипов зависит, поможет ли нам какое-то лекарство, которое помогло кому-то из друзей. От снипов зависят все отклонения от прообраза правильного гена.

На несколько десятков тысяч генов у нас приходятся несколько миллионов белковых вариантов, а с учетом снипов – еще больше. Вот почему прочтение генома возможно в целом на уровне «руководства для сборки» особи вида Homo Sapiens, но не на уровне целенаправленной сборки Василия Кузнецова из шестого подъезда (если его не клонировать, а создать заново такую же ДНК, не заглядывая в образец!). Это показывает, насколько мы далеки от понимания процесса создания новой ДНК. Например, договоримся, что мы знаем, как выглядит ген зеленого цвета кожи и ген золотых волос. Мы (в случае удачи) даже соберем зеленокожего человека с золотыми волосами, но у нас нет ни малейшего представления о том, какие признаки одновременно с зеленой кожей и золотыми волосами мы введем в новое существо. Вот почему я скажу честно: в основном, мы моделируем новые гены вслепую. В отличие от матушки-природы, у нас нет нескольких миллиардов лет на «прогонку» генетических конструкций. У нас нет времени на испытания.