Узнай о своих генах. Азбука для небиологов

Глава 3
Гены состоят из ДНК

Большинство биологических исследований в конечном итоге ставят целью понять биологию людей, в том числе вас и меня! Однако многие биологические эксперименты чрезвычайно сложны в техническом плане и зачастую используют процедуры, которые могут привести к гибели изучаемого объекта. По этим и другим понятным причинам использование людей для многих биологических исследований запрещено очень многими (если не всеми) агентствами, обеспечивающими финансовую поддержку научным исследованиям. Поэтому молекулярные биологи, биохимики, генетики и другие члены биологического научного сообщества в течение многих лет изучают биологию организмов, которые не требуют больших затрат на содержание и обслуживание, быстро размножаются и просты в обращении и хранении в лабораторных условиях. Длительное время для биологических исследований используются так называемые модельные организмы – от простых бактерий до мух и грызунов и даже приматов, например обезьян. Для исследования генов в качестве модельных организмов часто используют бактерии, в частности кишечную палочку Escherichia coli (для краткости пишут E. coli), как правило, безвредный организм, который присутствует в кишечнике многих животных, в том числе у человека.

Может показаться странным, что изучение простых бактерий (крошечных организмов, увидеть которые можно только с помощью мощного микроскопа) стало источником основной информации о наших генах. На самом деле структура и функция генов не претерпели существенных изменений во время эволюции от бактерий до человека. Таким образом, многое из того, что мы знаем о генах и их функции, а в сущности, и о биохимии и молекулярной биологии в целом, есть результат изучения простых бактерий, таких как E. coli. Как гласит популярный афоризм, который приписывают французскому молекулярному биологу Жаку Моно, «что справедливо для кишечной палочки, справедливо и для слона».

* * *

С тех пор как были опубликованы новаторские исследования Грегора Менделя, ученые задумывались над тем, из чего же состоят его «факторы наследственности» (гены) и где они находятся в нашем организме. В 20-е годы прошлого века Фредерик Гриффит, английский ученый и военный врач Министерства здравоохранения Великобритании, занимался классификацией различных штаммов бактерии пневмококка (Streptococcus pneumonia) – опасного организма, который может стать источником пневмонии – смертельного (до появления антибиотиков) заболевания. Фредерик Гриффит родился в 1879 году, так что подробности его жизни малоизвестны. По натуре он был человеком скромным и сдержанным, за что его любили те немногие, кто знал его близко.

Вот что написал о нем Сиддхартха Мукерджи в 2016 году в своей книге «Ген. Сокровенная история»:

«Гриффит жил один в неприметной квартире неподалеку от своей лаборатории в Лондоне или в белом традиционном коттедже, который он построил для себя в Брайтоне. И если гены могут «переходить» от организма к организму, то Гриффит не мог заставить себя уйти из лаборатории, чтобы прочитать лекцию. Друзья обманным путем вынуждали его сесть в такси и оплачивали проезд в один конец до места назначения».

* * *

Гриффита не интересовали вопросы, касающиеся именно генов. Он сосредоточился на изучении разных штаммов (типов) пневмококка, взятых у разных пациентов: какие именно могут привести с большей вероятностью к пневмонии, а какие – нет. Он собрал образцы этой бактерии у многих больных пневмонией в разных регионах Англии и классифицировал их, пытаясь определить матрицу заболевания, используя в качестве подопытных животных мышей.

У пневмококка есть две формы: шероховатая (rough – R) и гладкая (smooth – S). S-форма может привести к тяжелому воспалению легких, часто со смертельным исходом, и поэтому ее называют вирулентной (заразной), а R-форма этой бактерии вызывает менее тяжелое течение заболевания или не вызывает вовсе и называется авирулентной (незаразной) формой.

В 1927 году Гриффит сделал открытие, за которое его помнят в научном сообществе и после его смерти, однако славы оно автору не принесло. Он обнаружил, что при скрещивании авирулентных бактерий (R-типа) с вирулентными (S-типа), которые были инактивированы (убиты) нагреванием, авирулентный штамм становится вирулентным! Гриффит назвал это явление трансформацией и предположил, что оно вызвано «чем-то» в авирулентных бактериях R-типа, чему он дал название «трансформирующее начало». Однако он не сделал попытки определить, из чего же состоит это трансформирующее начало. Вот что писал Сиддхартха Мукерджи:

«В январе 1928 года после месяцев сомнений («Господь Бог не торопится, так почему же я должен торопиться?») Гриффит опубликовал эту информацию в научном журнале Journal of Hygiene, причем с редкостной невнятностью изложения, которая бы поставила в тупик самого Менделя. Гриффит написал статью в униженно-извиняющемся тоне, словно искренне сожалел о том, что потряс основы генетики. В его исследовании трансформация преподносилась как курьез микробиологии и он ни словом не обмолвился о вероятной химической основе наследственности. Важнейший вывод из важнейшей биохимической публикации целого десятилетия утонул в мутных глубинах текста».

* * *

Однако со временем, благодаря экспериментам Гриффита, назрел актуальный вопрос относительно природы трансформирующего начала. Познакомившись с работой Гриффита в 1933 году (через пять лет после публикации Гриффита в Journal of Hygiene), этим вопросом задался ученый и врач Освальд Теодор Эвери.

Эвери родился в Галифаксе в Канаде в 1877 году и в 1904 году окончил Колледж врачей и хирургов Колумбийского университета в Нью-Йорке. В октябре 1910 года в новую больницу при Университете Рокфеллера приняли первых участников научных исследований, открыв тем самым новую эру в биохимии, когда врачам дали ресурсы и моральную поддержку для проведения фундаментального изучения болезней, с которыми они имели дело в больничных палатах. Эвери перешел в Университет Рокфеллера в 1913 году, где на протяжении последующих 35 лет исследовал пневмококк, продолжая дело своего предшественника Фредерика Гриффита.

Таких как Эвери обычно называют одиночками. Хотя он и нравился своим университетским коллегам, он не слишком много времени тратил на общение с ними. Он не любил путешествовать и редко посещал научные конференции и собрания. Исключением был ежегодный летний отпуск в Дир-Айленд (Олений остров) в штате Мэн, где Эвери занимался своим любимым парусным спортом. Уйдя на пенсию, Эвери переехал в Нэшвилл в штате Теннесси, чтобы быть поближе к семье брата, где он вел жизнь типичного «сельского джентльмена» на пенсии – длительные пешие прогулки, садоводство, общение с близкими.

Весной 1940 года Эвери подтвердил результаты экспериментов Гриффита. В 63 года, в возрасте, когда во многих американских университетах сотрудникам предлагают выйти на пенсию, Эвери получил почетное звание в Университете Рокфеллера – честь, которой удостаиваются немногие представители научного сообщества, достигшие пенсионного возраста, но способные по-прежнему вносить вклад в науку, причем делать это безвозмездно. Этот статус позволил Эвери продолжить исследования в Университете Рокфеллера в течение пяти лет и жить (предположительно) на пенсионные накопления.

Когда Эвери приступил к исследованиям, которые его потом прославили, большинство биологов, которых интересовали гены, были твердо убеждены в том, что они состоят из белков. Работая в Университете Рокфеллера, Эвери с помощью двух молодых коллег получил экстракты бактериальных клеток, чтобы выделить и очистить клеточный компонент (компоненты) вирулентных бактерий (S-типа), которые вызывали у мышей пневмонию.

Рис. 3.1. Освальд Эвери

После длительной кропотливой работы Эвери и его коллегам удалось очистить компонент клеток, который сам по себе трансформировал авирулентные бактерии в вирулентную форму. Этим компонентом оказалась ДНК, что привело Эвери к следующему умозаключению: трансформация бактерий авирулентного R-типа в вирулентный S-тип в экспериментах Гриффита получилась благодаря ДНК, содержащей один или больше одного гена, который и повлиял на проникновение инфекции в клетки R-типа.

* * *

Большинство читателей слышали про ДНК и, вполне вероятно, даже знают, что это биологическое соединение, из которого состоят гены. Для тех, кто не в курсе: ДНК – это аббревиатура словосочетания ДезоксирибоНуклеиновая Кислота (язык сломать можно!). Хитроумное слово подразумевает несколько химических свойств. Во-первых, ДНК содержит сахар, который называется «рибоза». На вкус лично я ДНК не пробовал, так что не поручусь, сладкая ли она. Определение сахаров основывается исключительно на химических свойствах. Во-вторых, ДНК расположена в ядре клеток (рис. 3.2), где она существует в виде микроскопических нитевидных структур, называемых хромосомами, о которых поговорим подробнее в главе 5. В-третьих, по химическому составу ДНК соответствует определению кислот, однако это не жидкость в привычном смысле, которая ассоциируется с кислотами. Приставка «дезокси» относится к химической терминологии. Чуть позже мы познакомимся с родственной субстанцией, но без компонента «дезокси», которая называется рибонуклеиновой кислотой (РНК).

ДНК содержится в подавляющем большинстве приблизительно 37,2 триллионов клеток, из которых состоит тело человека. Все ткани и органы нашего тела состоят из клетокк – крошечных образований диаметром около 100 мк (микрон – это одна миллионная доля метра), которые можно увидеть под микроскопом. Если вы не имеете представления о том, что такое клетка человека, представьте себе клетку, похожую на крошечный полый шар. Оболочка шара называется плазматической мембраной (рис. 3.2). Внутренняя часть шара заполнена жидкостью, называемой цитоплазмой, которая в основном состоит из воды, солей и белков. В цитоплазме содержатся многочисленные структуры (рис. 3.2). Одна из этих структур, которых в каждой данной клетке много, называется «митохондрия» (рис. 3.2). Биохимические процессы, генерирующие энергию, необходимую нашим клеткам, осуществляются в митохондриях. В одной из следующих глав мы расскажем о том, что, к великому удивлению биологического сообщества, сравнительно недавно выяснилось, что митохондрии содержат ДНК!

Рис. 3.2. Типичная клетка человека. Надеюсь, вам будет интересно познакомиться со следующими структурами клетки: плазматическая (клеточная) мембрана, цитоплазма, митохондрия (на этом рисунке их всего четыре, хотя в некоторых клетках их может быть сотни) и, самое главное, ядро (в котором нашли ДНК), содержащее маленькую структуру, которая называется «ядрышко» (впрочем, вам не стоит в нее углубляться)

* * *

В мае 1943 года Освальд Эвери написал письмо брату Рою, профессору микробиологии Университета Вандербильта в штате Теннесси, в котором высказал мнение о том, что «трансформирующий фактор» Фреда Гриффита состоит из ДНК. Вот что он писал:

«Если мы правы, а это еще не доказано, то это означает следующее: нуклеиновые кислоты важны не только с точки зрения структуры, это и функционально активные вещества, определяющие биохимическую активность и конкретные свойства клеток, а это значит, что с помощью известной химической субстанции можно вызывать предсказуемые и наследственные изменения в клетках. Ведь именно об этом так долго мечтали генетики. Похоже на вирус, но это может быть ГЕН».

Один из основных атрибутов научного исследования в любой области состоит в следующем: независимо от степени убедительности нового открытия оно должно пройти серьезные испытания и получить всестороннюю оценку, прежде чем его безоговорочно примет большинство научных сообществ и весь мир. Без этой критической проверки огромные усилия, средства и масса времени могут быть потрачены впустую. Учитывая эту реальность, которая уготована всем ученым в преддверии новых важных открытий, неудивительно, что заявление Эвери о том, что гены состоят из ДНК, было воспринято с большим предубеждением.