Молекула жизни: как ДНК стала "царицей биологии" Версия для слабовидящих
Молекула жизни: как ДНК стала "царицей биологии" Печать Email
Новости об инновациях
04.02.2014

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

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».

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.

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.

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.

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».

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.

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.

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.

Мнение автора может не совпадать с позицией редакции.

Источник - http://www.nanonewsnet.ru/node/36488

 

Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта