Геном

Уже через несколько месяцев, собрав воедино свои и ранее полученные другими, но не обработанные данные, два ученых подошли вплотную к величайшему открытию во всей истории человечества — расшифровке структуры ДНК. Даже у Архимеда, выскочившего из ванны, не было большего повода хвалиться своим открытием, чем уУотсона и Крика, праздновавших 28 февраля 1953 года свою побе­ду в небольшом пабе «Орел» (Eagle). «Мы открыли секрет жизни», — все не мог прийти в себя Уотсон, опасаясь, что где-то была допущена ошибка.

Но ошибки не было. Все оказалось чрезвычайно просто: ДНК содержит в себе код, записанный вдоль всей ее моле­кулы — элегантно вытянутой двойной спирали, которая мо­жет быть сколь угодно длинной. Код копируется благодаря химическому сродству между составляющими химическими соединениями — буквами кода. Комбинации букв представ­ляют собой текст прописи молекулы белка, записанный пока неизвестным кодом. Ошеломляющей была простота и изящность структуры ДНК. Позже Ричард Докинз (Richard Dawkins) писал: «Что действительно было революционным в эре молекулярной биологии, наступившей после откры­тия Уотсона и Крика, — это то, что код жизни был записан в цифровой форме, до невероятного похожей на код ком­пьютерной программы».

Через месяц после того как была опубликована структура ДНК Уотсона и Крика, в один день британская экспедиция покорила Эверест и на трон взошла новая королева Англии. Если не считать небольшой заметки в News Chronicle,журна­листы оставили незамеченным открытие двойной спирали ДНК. Но сегодня ученые рассматривают это событие как величайшее открытие столетия, если не тысячелетия.

Открытию ДНК предшествовали долгие годы разочаро­ваний и поражений. Код генов, с помощью которого запи­сывается информация о наследственности, упрямо не сда­вался. Но теперь Уотсон и Крик утверждали, что открытие сделано поразительно легко, — немного рабочих версий, хорошее знание физики и научное вдохновение. Взлом кода прошел блестяще. Стало очевидным, что код генов — это комбинация четырех букв А, С, G и Т. Комбинации этих букв переводятся в текст другого алфавита, состоящего из 20 букв — аминокислот, являющихся составными субъеди­ницами белков. Но как, где и каким способом?

Лучшие идеи рождались в голове Крика, включая идею об «адаптивной молекуле» — то, что сейчас мы называем РНК. Хотя не было никаких экспериментальных предпосылок, Крик пришел к выводу о том, что такая молекула должна быть. Так и произошло. Но у Крика была еще одна идея, ко­торую называют «лучшей из всех ложных идей». Крик при­думал код для шифрования структуры белка, который был значительно более элегантный, чем код матушки Природы. Идея была в следующем. Предположим, что единицей кода является слово из трех символов — кодон.(Мысль о том, что в слове должно быть не меньше трех букв, была очевидной. Сочетание четырех букв по две буквы в слове дают только 16 возможных комбинаций, чего недостаточно для кодиро­вания 20 аминокислот.) Теперь допустим, что между слова­ми нет ни пробелов, ни знаков препинания. Исключим из кода все слова, которые могут быть неверно интерпретиро­ваны, если чтение кода начать не с той позиции. Хорошую аналогию придумал Брайан Хейс (Brian Hayes) — возьмем все трехбуквенные слова, которые можно записать по-ан­глийски буквами A, S, Е и Т: ass, ate, eat, sat, see, set, tat, tea и tee. Теперь удалим слова, которые могут быть ошибочно прочитаны, если чтение начать не с той буквы. Например, представим себе текст, записанный с помощью этих слов без пробелов и знаков препинания. Возьмем случайные во­семь символов в середине текста: «ateateat». Поскольку нам неизвестно, с какой буквы начинается текст, мы его можем прочитать по-разному: «а tea tea t», «at eat eat» или «ate ate at». Таким образом, из трех слов «tea», «eat» и «ate» в на­шем словаре должно остаться только одно, чтобы избежать ложного прочтения.

Крик проделал те же манипуляции с буквами А, С, G и Т. Он сразу же удалил из словаря AAA, ССС, GGG и ТТТ. Затем он сгруппировал оставшиеся 60 слов таким образом, чтобы каждая группа содержала слова из тех же трех букв, следую­щих друг за другом в том же порядке. Например, слова ACT, СТА и ТАС объединены в группу, поскольку в них С всегда стоит после А, А — после Т, а Т — после С. В другой группе мы имеем слова АТС, ТСА и CAT. Если вы проделаете то же самое, то получите ровно 20 групп — столько же, сколько разных аминокислот используется в белках! Казалось, это не могло быть простым совпадением. По Крику только одно слово из группы кодировало аминокислоту, а остальные сло­ва должны были быть под запретом в генетическом коде.

Напрасно Крик призывал не относиться слишком серьез­но к его версии генетического кода: «Наши предположения и догадки относительно генетического кода, который нам предстоит разгадать, настолько шатки и умозрительны, что мы не можем на них полагаться. Мы взяли их за осно­ву просто потому, что, базируясь на простых и допустимых с точки зрения физики постулатах, нам удалось получить магическое число 20». Ведь открытая на тот момент струк­тура двойной спирали ДНК сама по себе не предоставляла никаких свидетельств относительно генетического кода. Но ликование ученых не прекращалось. Через пять лет уже никто не сомневался в верности кода Крика.

Однако время теорий стремительно уходило. На сме­ну им шел эксперимент. В 1961 году Маршалл Ниренберг (Marshall Nirenberg) и Иоганн Маттеи (Joha

К 1965 году уже весь код был известен, и началась эра современной генетики. Вершины, которые с таким трудом покоряли генетики 1960-х, в 1990-х годах стали рутиной. И вот, в 1995 году наука вернулась к давно уже умершим паци­ентам Арчибальда Гаррода с их чернеющей мочой. Теперь наука уже точно могла сказать, в каком месте и в какой хро­мосоме происходит грамматическая ошибка кода, ведущая к алкаптонурии. История этой болезни оказалась в сжатом виде историей генетики XX столетия. Напомним, алкапто- нурия — это очень редкое и неопасное заболевание, легко устранимое, если придерживаться определенной диеты. Именно поэтому болезнь оставалась неинтересной для врачей и науки. В 1995 году два испанских ученых, подтал­киваемые главным образом значимостью болезни в плане истории генетики, взялись за раскрытие тайны. В экспе­риментах с плесневым грибком Aspergillusим удалось по­лучить мутант, который накапливал пурпурный пигмент при наличии в среде фенилаланина — гомогентизиновую кислоту. Как и предполагал Гаррод, у мутанта была нефунк­циональная версия фермента гомогентизатдегидрогеназы Разрезав геном грибка на кусочки с помощью специальных ферментов, ученые установили фрагменты ДНК, которые делали мутант отличным от исходной культуры. В конце концов им удалось отыскать интересуемый ген в геноме грибка. Воспользовавшись последовательностью нуклеоти­дов гена, ученые провели поиск среди известных последо­вательностей нуклеотидов генома человека в надежде най­ти что-то похожее. Удача им улыбнулась. На длинном плече хромосомы 3 находился «абзац» ДНК, последовательность букв в котором на 52% совпадала с последовательностью букв в гене грибка. Выделив этот ген у больных алкапто­нурией и сравнив его с соответствующим геном здоровых людей, ученые обнаружили отличие в одну «букву» либо в 60-й, либо в 90-й позиции от начала гена. С потерей одной «буквы» из-за сдвига рамки считывания теряется смысл всего последующего текста гена. Синтезируемый белок ста­новится нефункциональным и не может выполнять свою работу (Scazzocchio С. 1997. Alkaptonuria: from humans to moulds and back. Trends in Genetics13: 125-127; Fernandez- Canon J. M., Penalva M. A. 1995. Homogentisate dioxygenase gene cloned in Aspergillus. Proceedings of the Natural Academy of Sciences of the USA92: 9132-9136).