Молекула жизни: как ДНК стала «царицей биологии»

Молекула жизни: как ДНК стала «царицей биологии»

Семьдесят лет назад была впервые доказана роль ДНК в передаче наследственной информации. Николай Кукушкин рассказывает о тернистом пути «двойной спирали» к вершине научной славы.

© Fotolia/ vege

1 февраля 1944 года в американском Журнале экспериментальной медицины была опубликована статья, коренным образом изменившая биологическую науку. Опыт, вошедший в историю как эксперимент Эвери-Маклеода-Маккарти, впервые доказал, что носителем наследственной информации является дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК. Сегодня одному из важнейших научных открытий XX века, положившему начало молекулярной биологии, исполняется семьдесят лет.

В XXI веке понятия «ген» и «ДНК» в популярном сознании практически синонимичны. Трёхбуквенная аббревиатура довольно сложного химического термина настолько прочно вошла в культуру, что используется даже в названиях кремов для лица.

Так было не всегда. Более того, во времена, которым посвящена большая часть школьного курса генетики, идея о том, что носителем генетической информации может быть ДНК, была если не богохульной, то по крайней мере безумной.

Умные и глупые молекулы

В сороковые годы XX века генетика переживала расцвет. Ещё в начале века были «переоткрыты» законы Менделя — основополагающие принципы наследственности, описанные чешским монахом на примере гороха. В шестидесятые годы XIX века, когда Мендель пытался убедить учёное сообщество в значимости своих результатов, европейские натуралисты были слишком заняты дебатами вокруг «Происхождения видов» Чарлза Дарвина, чтобы воспринимать странноватого монаха всерьёз.

В последующие тридцать-сорок лет генетика выросла в полноценную науку. Например, было установлено, что наследственная информация в клетках каким-то образом «записана» в хромосомах. Достоинство хромосом заключается в том, что они достаточно крупные и плотные, чтобы их можно было разглядеть в оптический микроскоп — именно это позволило ранним генетикам в подробностях изучить их «поведение».

© Fotolia/ Alexander Raths

Кто генетически вам ближе — бабушка или дедушка?

Впрочем, на этом «оптическом» приближении генетики и останавливались — методов, позволяющих заглянуть «внутрь» хромосомы, тогда не существовало. Поэтому генетика того времени существовала отдельно от наук «молекулярного уровня». Генетики скрещивали мух и кукурузу и наблюдали за результатом, не вдаваясь в микроскопические и тем более молекулярные детали происходящего. В этом смысле ранняя генетика была ближе к классическим зоологии и ботанике, чем к биохимии, от которой сегодня она неотделима.

В «молекулярном» же мире науки сороковых годов безоговорочно царили белки. Даже их греческое название — протеины, «первичные», передаёт благоговение биохимиков перед этой обширнейшей группой молекул, выполнявших, как считалось, все основные роли в живых организмах. К тридцатым годам было понятно, что белки состоят из двадцати аминокислот — невероятные возможности для комбинаторики! Были открыты ферменты, даже предсказаны некоторые аспекты белковой структуры.

По сравнению с белками ДНК с её четырьмя «кирпичиками» — нуклеотидами — казалась безнадёжно «глупой» молекулой, не способной к каким-либо «осмысленным» функциям. Популярной теорией того времени было, что ДНК всегда состоит из регулярных повторов нуклеотидов, представляя собой что-то вроде слегка усложнённого крахмала.

Генетики «поместили» наследственность в хромосомы, а биохимики установили, что те состоят из белка и ДНК. Как нетрудно догадаться, подавляющее большинство учёных считало само собой разумеющимся фактом, что наследственную функцию выполняет именно хромосомный белок — ДНК считалась второстепенной. Ей в лучшем случае дозволялось помогать белку заниматься «умными» делами.

Мёртвые бактерии, мёртвые мыши

В такой атмосфере Эвери, Маклеод и Маккарти опубликовали результаты своего революционного эксперимента. В качестве объекта изучения были выбраны пневмококки — бактерии, вызывающие пневмонию. Эти бактерии существуют в двух вариантах: R-тип, не вызывающий заболевания, и S-тип, способный убить заражённую им мышь.

Было известно, что бактерии S-типа могут «обращать в свою веру» неопасные R-бактерии. Более того, такое «обращение», или трансформация R-бактерий, возможна, даже если сами S-бактерии убиты нагреванием.

© РИА Новости. Валерий Мельников | Купить иллюстрацию

Мертвые души

Таким образом, наблюдается загадочный феномен. Мыши, заражённые безобидным R-штаммом пневмококков, выживают. Мыши, заражённые опасным, но убитым S-штаммом, тоже выживают (убитые бактерии не могут размножиться и вызвать заболевание). Но если заразить мышей R-бактериями, смешанными с мёртвыми S-бактериями, то в их крови появляются живые S-бактерии и мышь погибает.

Очевидно, что какой-то компонент мёртвой S-бактерии трансформирует живую R-бактерию, то есть превращает её в S-бактерию. Именно в поиске этого «трансформирующего агента» и состояла задача, поставленная Эвери, Маклеодом и Маккарти.

Исследователи решили «вскрыть» мёртвую S-бактерию и попытаться установить, какой же из её компонентов является трансформирующим агентом. Удалив из экстракта бактерий белки, учёные обнаружили, что полученный раствор всё равно трансформирует R-пневмококков в S-тип, убивающий мышей. С другой стороны, если добавить в этот раствор фермент, переваривающий ДНК, то трансформация перестаёт работать.

Сегодня мы знаем, что трансформация определяется передачей от бактерии к бактерии плазмид — небольших «конвертов» ДНК, несущих один или несколько генов. Плазмиды могут оставаться неповреждёнными, даже если разрушить содержащую их клетку — как в случае с убитыми S-пневмококками. Таким образом, впервые в истории было доказано, что ДНК может передавать информацию и являться физическим носителем наследственности.

© Fotolia/ spflaum

Молекулярная биология XXI века: в поисках «кодов» жизни

Генетическая лихорадка

С момента публикации эксперимента Эвери-Маклеода-Маккарти учёное сообщество прошло долгий путь от решительного отрицания, через споры и препирательства к постепенному признанию ДНК «умной молекулой» и в конечном итоге — фактической коронации её в качестве «примадонны биологии». Немаловажную роль в этом сыграло открытие структуры ДНК — двойной спирали, ставшей впоследствии главным символом всей биологической науки.

То, что казалось ранним исследователям признаком примитивности ДНК — всего четыре составных блока, — оказалось гениальным изобретением природы. Как двоичный машинный код описывает самые сложные программы и алгоритмы, так и четыре нуклеотида ДНК передают информацию своеобразной «расширенной азбукой Морзе».

Научившись в конце семидесятых годов «читать» ДНК, учёные бросились искать генетическую основу любого процесса, происходящего в организме. Муковисцидоз! Гемофилия! Болезнь Хантингтона! К девяностым казалось, что для каждой болезни можно найти ответственный ген и мутацию, виновную в проблеме.

© Фото: Javier Trueba, Madrid Scientific Films

Ученые «воскресили» древнейший геном человека возрастом 400 тысяч лет

Пожалуй, дольше всего натиску генетиков сопротивлялись нейробиологи и психологи. Действительно, идею о том, что поведение может определяться последовательностью нуклеотидов в ДНК, сложно принять на веру. Это противостояние «генетических детерминистов» со сторонниками роли воспитания и среды в английском языке принято обозначать ёмкой фразой «nature vs nurture», что можно условно перевести как «природа против заботы».

Кто же оказался прав? Как утверждают современные генетики, к XXI веку вопрос о том, что в поведении человека определяется генами, а что — нет, можно считать закрытым. Генами определяется всё.

Однако победу «детерминистов», то есть тех, кто предполагает, что абсолютно всё в поведении и физиологии можно описать последовательностью ДНК, объявлять по крайней мере преждевременно. Вопрос состоит в том, что хотя генетический компонент действительно присутствует совершенно во всём — от роста и склонности к курению до интеллекта и темперамента, — помимо него существуют и другие факторы, в том числе, та же «забота».

© AFP 2013/ Emmanuel Dunand

Гены, гормоны и опухоль мозга: что превращает человека в преступника

Природа заботы и забота о природе

Допустим, мы хотим установить, является ли генетическим признак «асоциальное поведение». Как это делается? До расшифровки человеческого генома в 2003-м основным методом подобного анализа был близнецовый метод. Он заключается в сопоставлении больших групп однояйцевых и разнояйцевых близнецов.

У однояйцевых близнецов все гены одинаковые. У разнояйцевых одинаково ровно 50% генов. Если асоциальное поведение полностью определяется генами, то все пары однояйцевых близнецов будут либо одновременно асоциальными, либо одновременно социальными, а среди разнояйцевых близнецов совпадение будет наблюдаться в половине случаев. Если признак не зависит от генов — то он будет совпадать у обоих типов близнецов с одинаковой частотой.

С приходом века геномики, когда «прочтение» и анализ целых геномов стал относительно дешёвым и быстрым, анализ переместился в молекулярную плоскость. Сегодня можно проанализировать ДНК разных групп людей и с высокой точностью определить, какие именно изменения лучше всего предсказывают асоциальное поведение.

Допустим, по совокупности «близнецовых» и «геномных» данных мы установили, что асоциальное поведение определяется генами на 60%. Означает ли это, что оставшиеся 40% никак не связаны с генетикой? Нет. Означает ли это, что действие генов, включённых в 60%, не связано с окружающей средой? Тоже нет.

Всё, что нам даёт информация о «проценте наследуемости» — это доля изменчивости, которую мы можем объяснить вариациями последовательности ДНК. На практике же среда и генетика связаны между собой неразрывно — их восприятие по отдельности просто не имеют смысла.

© Fotolia/ BlueOrange Studio

Над генами: когда приобретенные признаки передаются по наследству

Возьмём тот же пример асоциального поведения. Взаимодействие генов со средой может проявляться различными способами. Во-первых, генетические факторы могут влиять на степень влияния среды. Скажем, «генетически» впечатлительный ребёнок остро воспринимает алкоголизм и насилие в семье — среда влияет на него очень сильно и может привести к развитию асоциального поведения во взрослой жизни. Та же среда может никак не влиять на другого ребёнка, который «от природы» беззаботен и ничего не принимает близко к сердцу.

Во-вторых, генетика может влиять на подверженность среде. Например, известно, что «природные» агрессивность и непослушание ребёнка стимулируют жёсткие, в том числе физические, меры наказаний со стороны родителей. Возможно, именно эти наказания сказываются на дальнейшем развитии ребёнка — но считать ли в данном случае первичной среду или ген?

Наконец, никакой ген не описывает напрямую строение мозга или модели поведения. Все эти признаки на самом деле представляют собой наслоения тысяч мельчайших молекулярных и клеточных особенностей, состоящих друг с другом в запутанных причинно-следственных связях. Каждый из «кирпичиков», из которых складывается наследственность, может быть в той или иной мере подвержен влиянию внешней среды — тоже сложнейшей системы, которую ещё труднее «раздробить» на элементарные компоненты.

© Fotolia/ Kzenon

Успеваемость школьников больше всего зависит от наследственности

Таким образом, данные о «проценте наследуемости» — всего лишь усреднение почти бесконечного количества взаимодействий между молекулами внутри и снаружи организма. Эти взаимодействия начинаются в момент зачатия и постепенно, шаг за шагом, приводят к формированию целого организма со всеми его признаками — от цвета глаз до манеры речи. Возможно, когда-нибудь мы сможем прослеживать каждую молекулу развивающегося организма и точно предсказывать, чем и как отзовётся то или иное воздействие. Но пока это — фантазии далёкого будущего.

Оглядываясь на прошедшие семьдесят лет, мы должны заключить, что ещё никогда в своей истории человек не узнавал о себе столько нового, сколько он узнал в XX и начале XXI века. Пожалуй, ничто так не способствовало этому, как исследования дезоксирибонуклеиновой кислоты. Примечательно, что новое тысячелетие в биологии началось с расшифровки человеческого генома. Три с лишним миллиарда «букв» ДНК нам ещё о многом расскажут.