Дикие гены

Перевод с немецкого выполнил С. Э. Борич по изданию:

WILDE GENE / Vom verborgenen Leben in uns)

Timo Sieber, Helga Hofmann-Sieber, 2016.

Издание осуществлено при содействии ИП Владимир Сивчиков

Иллюстрации Олега Карповича

© 2016 by Rowohlt Verlag GmbH

© Перевод. Издание. Оформление. ООО «Попурри», 2017

Введение

Здесь мы развенчиваем все предрассудки, даем советы насчет здорового образа жизни и застегиваем ремни безопасности, отправляясь в путешествие к диким генам.

Итак, вы держите в руках эту книгу, и вам хотелось бы знать, о чем в ней пойдет речь. Она случайно подвернулась вам на полке в книжном магазине? Или в результате хитроумных размышлений вы пришли к выводу, что она прекрасно соответствует тем философским темам, которые вы на прошлой неделе обсуждали в социальных сетях? А может быть, вам протянул ее друг или подруга со словами: «Вот, прочти. Эта книга перевернула всю мою жизнь!» Неважно, как она к вам попала. Возможно, она не вызовет потрясений в вашей жизни. Прочитав ее, вы не станете стройнее или счастливее. Это не медицинская литература, из которой можно почерпнуть рекомендации о здоровом образе жизни. В ней нет ни одного такого совета. Хотя так уж и быть: курить и пить вредно, постарайтесь не переедать, отводите достаточное время на сон и старайтесь время от времени смеяться. Пожалуй, этого достаточно.

Вы все еще здесь? Хорошо. Тогда переходим к сути: эта книга расскажет вам, какой вы замечательный человек. Да-да, именно вы! Вы и все остальные живые существа на этой планете – от бактерий и каких-нибудь крошечных червячков до того самого вредного слона из зоопарка, выплюнувшего овощи, которые вы ему так заботливо нарезали. Все они – живое чудо. Об этом и пойдет речь – о жизни и в первую очередь о генах, которые скрытно ею управляют.

Эта книга представляет собой путешествие к тайнам жизни, в котором вы не раз встретитесь с ордами диких генов. Вы проникнете внутрь ДНК, будете меняться в результате ошибок и переходить из одного питейного заведения в другое, словно на мальчишнике перед свадьбой. Звучит несколько хаотично? Но именно это и необходимо, чтобы процесс продвижения вперед по пути эволюции не останавливался. Однако во всей этой кутерьме гены чудесным образом организуются и создают сложные формы жизни, неукоснительно придерживаясь одного-единственного правила, которое гласит: «Все, что можно испробовать, будет испробовано!» Ну, во всяком случае, почти все.

Если вы благополучно переживете встречу с прыгающими генами, передайте книгу своему другу и скажите ему что-нибудь вроде «Вот, прочти. Эта книга перевернула всю мою жизнь!».

Глава 1 Дорогая, у тебя, оказывается, есть ДНК…

История начинается с рассказа о нахальных джентльменах со странными галстуками, которые становятся знаменитыми, обокрав даму. Попутно совершается открытие ДНК, расшифровывается ее структура, а Супермен и Кларк Кент объясняют, как действует ген.

У нас нежданные гости. Как гром среди ясного неба., нагрянула тетушка Хедвиг. Мы с женой молча переглядываемся. «Ты знала?» – тихо цежу я сквозь зубы. Но в ответ вижу легкую панику в ее глазах и едва заметное подрагивание уголка рта.

А тетушка наносит очередной неожиданный удар. Она ловко протискивается мимо меня с огромным чемоданом и, обращаясь к нашему наследнику, говорит: «Господи! Как вырос-то!» Хедвиг взъерошивает ему волосы и теребит за щеку. «Весь в отца! Прямо не отличить! Вот что значит гены. Ну да ладно, может, еще перерастет… Поцелуй тетю. Теперь мы будем много времени проводить вместе…» И пока я пытаюсь стряхнуть с себя оцепенение от шока, до меня вдруг доходит: она приехала надолго.

То, что родственники нередко бывают похожими друг на друга (как хорошими, так и плохими чертами), давно известно каждому. Но что это за таинственные гены, из-за которых все происходит?

Все началось в 1854 году, когда монах и помощник учителя Грегор Мендель (учителем он так и не стал, поскольку не сдал соответствующий экзамен) вдруг задумался, каким образом наследуются различные свойства. Правда, «задумался» – это слишком мягко сказано. Он высаживал тысячи ростков гороха, скрещивал и исследовал их. Свои наблюдения Мендель отразил в статистической форме. Сегодня его считают отцом генетики. (Возможно, попутно он сделал открытие, что употребление в пищу большого количества гороха в монастырских стенах имеет свои недостатки, отравляя атмосферу, но история о таких деталях умалчивает.)

Менделю удалось доказать, что наследование отдельных свойств, например оттенка цветков и высоты ростков, подчиняется строгим законам. Складывалось впечатление, что в каждом растении содержалась в двух копиях некая таинственная запись о наследуемых качествах. Родительские растения отдавали по одной копии своим потомкам. Кроме того, выяснилось, что это таинственное «нечто» представляет собой не единое целое, а состоит из частей, каждая из которых отвечает за определенный признак. Но Мендель не имел ни малейшего представления, как могут выглядеть эти единицы наследственности.

В конце концов он опубликовал свои труды, изложив на бумаге совершенно новые, революционные мысли. И как это часто бывает с основополагающими идеями, их поначалу не признали. Ученый мир не заинтересовался открытиями монаха. Но Мендель был твердо уверен в том, что нашел нечто важное. До нас дошли его слова: «Мое время еще придет!» И оно пришло. Спустя 30 лет после публикации. В 1900 году его труды были «заново открыты» и перепроверены тремя ботаниками, которые поняли их истинное значение. Менделя это, безусловно, порадовало бы, но, к сожалению, он к тому времени был уже давно мертв. И все-таки стартовый выстрел для генетики прозвучал именно в монастырском дворе.

Термин «ген» появился лишь в 1909 году. Датчанин Вильгельм Иогансен произвел его от греческого слова genos (род, семья). Возможно, ему хотелось, чтобы термин, обозначающий единицу наследственности, был коротким и запоминающимся. Правда, для него самого ген был не реальной материальной частицей, а, скорее, некой концепцией. В то время так думали многие ученые.

Относительно природы генов сразу возникло два больших вопроса. Во-первых, каким образом свойства организма, например белый цвет лепестков, передаются от одного поколения другому? Во-вторых, почему вообще возникают различные свойства? Почему цветок гороха белый? Как растение создает этот цвет?

Чтобы раскрыть природу свойств организмов, можно было, подобно Менделю, работать с достаточно крупными растениями или животными. Но тут сразу возникли бы трудности, потому что такие исследования продолжаются слишком много времени и потому что у сложных организмов свойства тоже носят сложный характер. К счастью, есть живые организмы с намного более простыми качествами. К таким качествам можно, например, отнести способность дрожжей производить алкоголь из сахара. Это простая химическая реакция преобразования одного вещества в другое (вообще-то даже в два других, потому что попутно образуется двуокись углерода). Для таких преобразований живые организмы нуждаются в ферментах. Если организм располагает определенными ферментами, происходит реакция. Если нет, то нет. Таким образом, наличие фермента – это наименьшая возможная единица свойств.

С 1926 года известно также, что представляют собой ферменты. Это белки. Белки – настоящее чудо природы! Они состоят из 20 различных «кирпичиков» – аминокислот, которые могут образовывать самые разные сочетания, складываясь в длинные цепочки. Эти цепочки имеют трехмерную структуру и могут выполнять самые разные функции. (Вообще-то это поражает воображение. Если кто-то сомневается, пусть сам попробует завязать на веревке множество различных узелков, чтобы из нее получились, например, ножницы или модель Эйфелевой башни.) В наших клетках используется большое количество белков практически для всех жизненных потребностей. Белки – это рабочие лошадки жизни.

Когда стало ясно, что фермент служит средством передачи одного простого признака, в 1941 году было высказано предположение, что ген представляет собой структуру, определяющую, каким будет этот фермент. Гипотеза получила название «Один ген – один фермент». Таким образом, в названии содержалась ее суть. Но прожила эта гипотеза недолго. Уже вскоре было обнаружено, что существуют белки, не являющиеся ферментами и выполняющие другие функции. Например, белки способны без труда образовывать весьма крупные структуры (наши волосы почти полностью состоят из белка кератина). Поэтому гипотезу переименовали в «Один ген – один белок». Поначалу она всех устраивала. Но несколько лет спустя выяснилось, что зачастую белки состоят не из одной цепочки аминокислот (так называемого полипептида), а из нескольких. Пришлось выдумывать для гипотезы новое имя. Уже догадались какое? «Один ген – один полипептид». Давайте сразу предвосхитим события: это был еще далеко не конец истории.

Сегодня мы знаем, что белки задают определенные признаки организма, но нам до сих пор не известно, каким образом эти признаки наследуются и что на самом деле представляют собой гены. Первые идеи о природе генов появились уже вскоре после 1900 года, когда при наблюдении через микроскоп за делением клеток были обнаружены крупные волокнистые структуры – хромосомы, которые поровну распределяются между дочерними клетками. Это наводило на мысль, что именно хромосомы являются хранилищем наследственной информации клеток. При более подробном исследовании выяснилось, что они состоят из белка и ДНК – дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Но какое из этих двух веществ несет в себе наследственную информацию? Поначалу никто даже не думал, что это может быть ДНК. О ее существовании было известно уже достаточно давно, но конкретных сведений имелось мало. Она просто находилась в составе клеток и, похоже, ничего не делала. Кроме того, она состояла из очень немногих оснований – Г, А, Т и Ц (гуанина, аденина, тимина и цитозина), а также из фосфата и сахара.

По сравнению с белками, в составе которых насчитывается 20 аминокислот, это были сущие пустяки. Вдобавок белки могли быть ферментами и выполнять самые разнообразные задачи. Почему бы не наделить их еще и функцией хранения информации? Эта идея получила распространение и прожила достаточно долго. Лишь когда в середине 40-х годов было доказано, что при переносе ДНК от одной бактерии к другой передавались и различные свойства, мнение ученых начало меняться. Поначалу медленно. Понадобилось еще почти десять лет, прежде чем ДНК стала общепризнанным носителем наследственной информации. У Альберта Эйнштейна есть прекрасное высказывание: «Легче расщепить атом, чем разрушить устоявшееся мнение».

Представьте себе, что началось после того, как был сделан этот решающий шаг. Вы, ничего не подозревая, ложитесь вечером спать, а наутро за завтраком открываете газету – и там черным по белому: у вас есть дезоксирибонуклеиновая кислота! И эта чертовщина, которую и выговорить-то невозможно, каким-то образом связана с тем, что ваши дети так похожи на вас.

Подобные открытия в одночасье меняют мир. Ученые почуяли: здесь пахнет Нобелевской премией! Всем было ясно, что следующим шагом должно стать определение структуры ДНК. Как выглядит эта молекула? Началась гонка, в которой должен был победить тот, кто первым ответит на данный вопрос. В ней приняли участие самые выдающиеся умы. А победу одержали двое ученых, на которых вряд ли кто из букмекеров стал бы принимать ставки, – Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик.

Хотя сегодня их признают величайшими светилами в области биологии, в то время почти никто не верил в их успех. Англичанин Фрэнсис Крик был по специальности физиком и в годы Второй мировой войны конструировал морские мины. После войны он занялся биологией и без особых успехов работал в Кембридже над докторской диссертацией, пытаясь выяснить структуру белка гемоглобина, отвечающего за транспортировку кислорода. Научный руководитель считал его бездельником, от которого ничего толкового, кроме пустой болтовни, не дождешься.

Но в один прекрасный день судьба столкнула Крика с молодым американцем Джеймсом Уотсоном. Тот был вундеркиндом, который уже в пятнадцать лет поступил в университет, чтобы изучать зоологию. Ко времени встречи ему исполнилось двадцать два года, он защитил диссертацию и получил стипендию для продолжения работы в Великобритании. Между Криком и Уотсоном сразу возникла симпатия, и они решили совместными усилиями разгадать загадку ДНК. Это было смелое решение, потому что ни один из них не являлся специалистом в данной области. На самом деле им были поручены совсем другие проекты, но Крик и Уотсон занимались ими постольку поскольку.

По-настоящему все завертелось в 1951 году. На одной из конференций Уотсон сидел в задних рядах, чтобы без помех почитать газету, и почти не слушал докладчицу. А ею была Розалинд Франклин из Лондона, рассказывавшая о своих последних достижениях. Она считалась ведущим специалистом в области рентгеноструктурного анализа. Но когда Уотсон задумался о том, что ей стоило бы поработать над своей внешностью, речь в докладе зашла о последних данных относительно структуры ДНК. Ее рентгенограммы оказались самыми качественными из всех, которые когда-либо доводилось видеть. Только не думайте, что на этих снимках ДНК представала в том виде, который сегодня известен всем. Это были всего-навсего темные размытые пятнышки, и разглядеть в них какой-то смысл могли лишь немногие посвященные. Уотсон моментально насторожился: Франклин располагала рентгеновскими снимками и данными математического анализа, но у нее не было модели молекулярной структуры. Уотсону было ясно, что ДНК должна иметь правильную спиралеобразную структуру, похожую на винтовую лестницу. В этот момент соперничество за право первым расшифровать структуру ДНК вышло на финишную прямую! Уотсон вместе с Криком лихорадочно принялись за работу.

Конечно, их работа состояла не в том, чтобы самим проводить какие-то эксперименты. Нет, они только использовали известные факты и обрывки информации, почерпнутые Уотсоном из доклада коллеги. При этом было понятно, что они охотятся в чужих угодьях, и начальник Уотсона Джон Кендрю настоял на том, чтобы они представили созданную ими модель Розалинд Франклин и ее коллеге Морису Уилкинсу.

Франклин не высказала восторга от увиденного, так как получившаяся модель ДНК совершенно не выдерживала критики. Уотсон и Крик потерпели жестокое фиаско. Руководитель института, которому эта история тоже не понравилась, вызвал их на следующий день к себе и заявил, что их работа над ДНК прекращается! Этим должны заниматься Франклин и Уилкинс в Лондоне, а Уотсона и Крика ждут другие задачи, в частности незаконченная докторская работа.

Это могло бы стать концом всей истории, но произошло другое. Крик и Уотсон не сдались. В следующем, 1952 году в Кембридж приехал выдающийся американский химик австрийского происхождения Эрвин Чаргафф, также занимавшийся анализом ДНК, в частности ее четырьмя основаниями А, Г, Ц и Т. До сих пор было не ясно, как они располагаются в молекуле. Однако Чаргафф постоянно наблюдал, что содержание основания Г в молекуле всегда равно содержанию Ц, а содержание А, в свою очередь, совпадает с Т. Крик и Уотсон настояли на беседе с ним и вновь опозорились по полной программе. Они делали непрофессиональные замечания и проявили себя как люди, совершенно не разбирающиеся в химии. Позднее Чаргафф говорил о них как о клоунах в науке, которые берут свое апломбом и нахрапом.

Но и это не остановило двух молодых людей. Немного позже Уотсон вновь посетил лабораторию Франклин и Уилкинса. После того как Франклин со скандалом вышвырнула Уотсона (он попытался показать ей неопубликованную и, следовательно, конфиденциальную научную работу конкурента), он обратился к Уилкинсу. Отношения с ним были лучше, потому что Уотсон и Крик не отказывали себе в удовольствиях и закатывали вечеринки, на которые регулярно приглашали Уилкинса. Тот с удовольствием показал Уотсону последние разработки и данные Франклин, в которых структура ДНК просматривалась яснее, чем когда-либо ранее.

С этой новой информацией Уотсон вернулся в Кембридж, и они с Криком без промедления начали работать над новой моделью ДНК. Утром 28 февраля 1953 года загадка в конце концов была разгадана!

Чуть позже напористые друзья опубликовали свою модель в виде коротенького текста на одну страничку и небольшого эскиза двойной спирали (нарисованного женой Крика Одиль) и в одночасье стали звездами в научном мире. Правда, они одной фразой отметили вклад Франклин и Уилкинса, указав, что «их результаты и идеи послужили стимулом в работе». Это яркий пример того, что в мире науки почести и слава зачастую распределяются не по справедливости. Однако Франклин и Уилкинсу было все же позволено опубликовать данные, приведшие к великому открытию, в том же журнале, где Уотсон и Крик описали двойную спираль ДНК.

Дополнительный горький привкус этой истории придает то обстоятельство, что Розалинд Франклин, без рентгеновских анализов которой открытие вообще не состоялось бы, умерла от рака в возрасте всего 37 лет. Вполне возможно, что именно опасная работа с рентгеновскими лучами стоила ей жизни, одновременно прославив Уотсона и Крика. В 1962 году они вместе с Уилкинсом получили Нобелевскую премию. Розалинд Франклин осталась без награды, так как эта премия присуждается только при жизни.

В каком свете предстают перед нами Уотсон и Крик? С одной стороны, они самостоятельно не провели ни одного эксперимента и только манипулировали данными других ученых, что явно противоречит строгой английской морали и научному кодексу чести. Вся эта история считается в наши дни классическим примером не самого достойного поведения в науке. С другой стороны, они проявили упорство и не позволили сбить себя с пути. Они по-разному комбинировали имевшуюся в их распоряжении информацию, которая в конце концов сложилась в модель ДНК. Вне всякого сомнения, это было выдающимся интеллектуальным достижением, на котором последующие поколения ученых строили наше сегодняшнее понимание жизни. Так считать ли их героями? Приговор за вами.

Но вернемся к нашей знаменитой двойной спирали. Модель Уотсона и Крика выглядит словно перекрученная веревочная лестница. Оба боковых «каната» представляют собой цепочки прочно связанных между собой компонентов ДНК и нуклеотидов. Этими компонентами являются сахара и фосфаты, образующие достаточно прочные связи. Но самое интересное – это «ступеньки». Они образованы соединением оснований, отходящих от боковых нитей. Если А встречается с Т, а Г – с Ц, то они взаимно притягиваются (это явление называется «парностью оснований Уотсона и Крика»). При других сочетаниях этого не происходит. Силы, действующие между основаниями, значительно слабее, чем те, которые удерживают боковые нити. Это напоминает застежку-липучку: для того, чтобы разделить обе ее части, нужны относительно небольшие усилия.

Все это прекрасно, но почему открытие структуры ДНК считается в генетике таким же значимым событием, как высадка на Луну? Потому, что теперь окончательно стало ясно, как ДНК хранит информацию. Это происходит в длинных цепочках оснований. Все дело – в их последовательности. Если известно, в какой последовательности располагаются буквы в книге, ее можно прочесть. Если же последовательность не определена, мы имеем дело с бессмысленным набором, как в пакете с макаронными изделиями в виде букв. Это, может быть, и аппетитно, но с содержательной точки зрения равно нулю.

Однако благодаря открытию структуры удалось понять и еще кое-что. Для того чтобы установить полную последовательность, достаточно всего одной цепочки. Зачем же нужна вторая? Дело в том, что они зависят друг от друга. Если в одной цепочке имеется основание А, то в другой на этом месте должно быть Т. Таким образом, вторая нить – зеркальная копия первой. Уотсон и Крик сразу поняли, для чего нужно это двойное повторение: одна…