Гены, белки и ДНК
Фрэнсис Крик: «После признания центральной и уникальной роли белков становится очевидным, что генам больше нечего делать»
Довольно неприятно, когда вытекающая из тебя моча становится черной при контакте с воздухом. Однако заболевание, вызывающее такой эффект, алкаптонурия, является безобидным, и поэтому в течение столетий оно практически не исследовалось. В 1890-х годах алкаптонурия заинтересовала английского врача Арчибальда Гарро. После повторного открытия идей Менделя Гарро заметил, что заболевание передается по наследству в соответствии с менделевскими законами. Гарро не только первым идентифицировал генетическое заболевание, но и сформулировал основное правило генетики: функция генов заключается в производстве белков.
Алкаптонурия — редкое заболевание, которым страдает один из 200 000 людей. Но Гарро заметил, что если родители являются еще и двоюродными братом и сестрой, то у их детей болезнь встречается гораздо чаще, а отношение здоровых детей к больным в таких семьях составляет примерно три к одному. Это закономерно, если алкаптонурия вызывается рецессивным геном, а не инфекцией, как считалось ранее.
Биохимические знания Гарро также позволили ему предположить функцию этого гена. При алкаптонурии моча чернеет из-за гомогентизиновой кислоты, которая у здоровых людей расщепляется в организме. Гарро понял, что у пациентов с этим заболеванием отсутствовал фермент (белок-катализатор), необходимый для разложения гомогентизиновой кислоты. В результате кислота выделялась вместе с мочой и окрашивала ее в черный цвет.
Один ген, один белок
На основании своих наблюдений Гарро пришел к выводу, что функция генов состоит в создании белков. Другие заболевания также могут быть вызваны такими «врожденными ошибками метаболизма», как Гарро назвал их в 1909 году в заглавии своей книги. Это было очень важное открытие, показывающее, как гены и генные мутации влияют на биологию. Но поскольку Гарро исследовал довольно редкие заболевания, его теории, подобно теориям Менделя, не были замечены еще несколько десятилетий.
Но Гарро не хватало прямых доказательств. Их в 1940-х годах получили Джордж Бидл, еще один ученик Т. X. Моргана, и американский генетик Эдвард Тейтем. Работа Бидла с плодовыми мушками показала, что цвет глаз может формироваться в результате химических реакций, управляемых генами, но дрозофилы были слишком сложными организмами, чтобы экспериментально доказать эту теорию. Бидл и Тейтем обратились к простой хлебной плесени Neurospora crassa и облучили ее для получения мутаций.
Когда мутантов скрестили с нормальными плесневыми грибами, часть их потомства размножалась свободно, но другая часть делилась, только если в среду добавляли аминокислоту аргинин. Эти грибы унаследовали мутацию гена фермента, необходимого для синтеза аргинина. Если незаменимая аминокислота не поступала извне, грибы не могли расти.
Результаты эксперимента позволили сформулировать простое правило: каждый ген содержит «инструкции» для создания определенного фермента, который затем выполняет работу в клетке. Несмотря на то что правило было впоследствии модифицировано — некоторые гены дают более одного фермента или только часть белка, — по сути оно правильное. Гены управляют химией клетки не напрямую, а косвенно через создаваемые ими белки. Мутации приводят к тому, что нужные белки не синтезируются.
Это открытие оказалось очень важным для медицины: изменить дефектные гены, вызывающие заболевания, сложно, но некоторые генетические заболевания можно лечить, заменяя отсутствующий белок. Гемофилики, например, могут принимать фермент сворачивания крови, который их организм неспособен синтезировать самостоятельно.
Есть ли жизнь на Марсе?
Если на Марсе или какой-либо другой планете будет обнаружена жизнь, первым вопросом ученых будет: основана ли она на ДНК? Генетические инструкции всех земных организмов записаны в ДНК (за исключением некоторых РНК-вирусов, но они не способны размножаться без ДНК хозяина). Этот факт показывает, что вся жизнь произошла от общего предка.
Если инопланетная жизнь тоже использует ДНК, то это утверждение сохраняет силу. Возможно, Марс был заселен микроорганизмами, прилетевшими с Земли на метеорите. Или все произошло наоборот и мы на самом деле марсиане.
Восход ДНК
Открытие того, что гены несут код для создания белков, перевернуло распространенное мнение об их строении, поскольку считалось, что гены — это белки. Если на самом деле белки - это продукты генов, то химические основы наследования нужно искать где-то еще. Они были найдены в загадочном веществе, которое впервые было выделено из пропитанных гноем бинтов швейцарским ученым Фридрихом Мишером еще в 1869 году, — в дезоксирибонуклеиновой кислоте, или ДНК.
Было известно, что ДНК содержится практически во всех клетках, и Мишер подозревал, что она может играть роль в наследовании, но его догадка оставалась чистой гипотезой, пока в 1928 году Освальд Эвери, Маклин Маккарти и Колин Маклеод не начали важную серию экспериментов. Команда Эвери заинтересовалась бактерией, вызывающей пневмонию. Она существует в двух формах, смертельной и безвредной. Когда ученые одновременно ввели мышам живые безвредные и обезвреженные летальные бактерии, они с удивлением обнаружили, что животные начали заболевать и умирать. Безвредные бактерии каким-то образом получили болезнетворные свойства от неактивных бактерий.
Для того чтобы найти вещество, которое они назвали «трансформирующим фактором», Эвери и его команда экспериментировали более десяти лет примерно со 100 литрами бактерий. Они обрабатывали свои колонии одним ферментом за другим, отключая определенные химические вещества, в поиске одного-единственного, которое передает смертельно опасную информацию от бактерии к бактерии. Только когда был использован фермент, разрушающий ДНК, трансформация прекратилась: ДНК была посредником. Дополнительные доказательства ее роли были получены в 1952 году Альфредом Херши и Мартой Чейз, которые пометили ДНК радиоактивной меткой и показали, что она является генетическим материалом фага — вируса, атакующего бактерии.
ДНК — основа жизни не только бактерий и фагов, ею записываются генетические рецепты всех живых организмов на Земле. Единственным исключением являются некоторые вирусы, использующие химическую родственницу ДНК - рибонуклеиновую кислоту (РНК), и, поскольку они не способны размножаться самостоятельно, их статус живых существ остается под вопросом. Код ДНК записывается всего четырьмя «буквами», известными как нуклеотиды, или основания. Такого простого алфавита достаточно для описания настолько разных организмов, как человек, селедка, лягушка и папоротник. Из ДНК состоят не только гены, дающие белки, но и генетические переключатели, включающие и выключающие гены. ДНК самовоспроизводится, благодаря чему весь код может быть скопирован при каждом делении клетки. ДНК служит программным обеспечением жизни и содержит всю информацию, необходимую для создания и функционирования организма.
Алфавит ДНK
Каждая молекула ДНК состоит из фосфатов и сахаров, создающих ее структурный каркас, и богатых азотом веществ нуклеотидов, или оснований, кодирующих генетическую информацию. Существует четыре вида оснований: аденин (А), цитозин (Ц или С), гуанин (Г или G) и тимин (Т). Вместе они служат буквами, которыми записывается генетический код. Основания можно разделить на два класса. Аденин и гуанин более крупные и относятся к пуринам, а цитозин и тимин меньше и называются пиримидинами. Каждому пурину соответствует пиримидин: А связывается с Т, Ц связывается с Г. Мутации обычно заменяют пурин на пурин или пиримидин на пиримидин, то есть А обычно мутирует в Г, а Ц — в Т, и наоборот.