Таким образом, в первом приближении можно рассматривать ДНК как сценарий или программу, записанную в ядре живой клетки. Эта программа закодирована на языке, в алфавите которого всего четыре буквы (или, используя компьютерную терминологию, букве соответствуют 2 бита). Каждая ее команда — ген — состоит из сотен тысяч букв кода, и гены определяют все сложнейшие функции клетки даже в таких организмах, как человеческий.
Рис. 4.1. Двойная спираль ДНК. Информация задается порядком нуклеиновых оснований (А, С, G и T). ДНК упакованы в хромосомы, которые находятся в ядре каждой клетки
Сначала ученые не представляли себе, как в действительности «выполняется» программа. Разгадкой стало выявление «матричной РНК» (сокращенно мРНК), в которую копируется информация ДНК, соответствующая определенному гену. Молекула РНК представляет собой одинарную цепочку — как бы половинку веревочной лестницы со свисающими вбок ступеньками. Эта цепочка выходит из ядра клетки (хранилища информации) в цитоплазму (весьма сложную смесь белков, жиров и углеводов) и затем попадает в рибосому — удивительную фабрику по производству белков. В рибосоме происходит трансляция — считывание матрицы и построение по ней молекулы соответствующего белка. Последовательность из трех нуклеиновых оснований кодирует одну аминокислоту. Именно белки обеспечивают работу клетки и отвечают за ее структурную целостность (см. рис. 4.2).
Это краткое описание дает лишь очень поверхностное представление об удивляющем и восхищающем ученых изяществе строения ДНК, РНК и белка. Возможных трехбуквенных комбинаций из букв А, С, Т и G, как легко посчитать, 64, а аминокислот — всего 20. Это означает, что генетический код обладает встроенной избыточностью: например, последовательность GAA в коде ДНК и РНК означает глутаминовую кислоту, GAG — ее же.
Исследования многих организмов, от бактерий до людей, показали, что генетический код, определяющий, каким образом информация, записанная в ДНК и РНК, должна транслироваться в белок, един у всех известных живых существ. Язык жизни не испытал Вавилонского столпотворения. GAG соответствует глутаминовой кислоте и в почвенной бактерии, и в горчичном семечке, и в аллигаторе, и в вашей тетушке Гертруде.
Эти успехи дали начало новому научному направлению — молекулярной биологии. Открытие множества других миниатюрных химических чудес, включая белки, действующие как клей и как ножницы, позволило ученым манипулировать молекулами ДНК и РНК, сшивая вместе кусочки молекулярных программ, взятых из разных источников, и получая в результате так называемые рекомбинантные ДНК. Отсюда родилось еще одно новое направление — биотехнология, которая, наряду с другими достижениями, обещает революционные сдвиги в лечении многих заболеваний.
Научная истина и выводы из нееТо, что изложено в этой главе, может расстроить верующего, для которого аргумент от порядка мира был убедительным доказательством сотворения жизни Богом. Без сомнения, многие мои читатели думали про себя или слышали, например, в религиозной проповеди, что великолепие цветка или орлиного полета могло возникнуть только благодаря сверхъестественному разуму, ценившему сложность, разнообразие и красоту. Теперь же, когда все это начинают объяснять с помощью молекулярных механизмов, генов и естественного отбора, кому-то наверняка хочется воскликнуть: «Довольно! Своими естественно-научными объяснениями вы лишаете мир всякой божественной тайны!»
Не огорчайтесь, божественная тайна не пострадала. Многие люди, рассмотрев все научные и религиозные доказательства, по-прежнему видят в мире творящую и направляющую руку Бога. Сам я нисколько не разочарован открытиями молекулярной биологии — наоборот. Какой же удивительной и замысловатой оказалась жизнь, как чудесно цифровое изящество ДНК! Как прекрасны и совершенны компоненты живых существ, от рибосомы, где строится белок по матрице РНК, до гусеницы, превращающейся в бабочку, или павлина, привлекающего самку своим немыслимым оперением! Учение об эволюции может — и должно быть — истинным. Но разве эволюция не имеет автора? У тех, кто верит в Бога, сейчас больше, а не меньше причин для благоговения перед Ним.
Рис. 4.2. Информационный поток в молекулярной биологии: ДНК->РНК->6елок
Глава 5: Расшифровка божественных чертежейУроки генома человекаКогда я в начале 1980-х работал научным сотрудником в Йельском университете, секвенирование, т.е. определение фактической последовательности букв генетического кода, было грандиозным предприятием даже для сравнительно короткого (в несколько сотен букв) участка ДНК. Методы отличались сложностью, для экспериментов требовалось множество подготовительных шагов, в них использовались дорогостоящие и опасные (в том числе радиоактивные) реагенты, а сверхтонкие гели приходилось переливать вручную, и чуть ли не всегда их портили пузырьки или какие-то еще дефекты. Детали не имеют значения; суть в том, что мы продвигались очень медленно, методом проб и ошибок.
Тем не менее моя первая опубликованная работа по генетике человека касалась именно секвенирования ДНК. Я исследовал выработку в организме одного особого белка — фетального (плодного) гемоглобина, который в норме присутствует в красных кровяных тельцах человеческих эмбрионов, но постепенно исчезает после рождения, когда младенец начинает дышать своими легкими. Гемоглобин отвечает за перенос кислорода из легких во все органы нашего тела, причем у людей и некоторых обезьян существует его специальная плодная форма, помогающая извлечению кислорода из крови матери для питания растущего плода. В течение первого года жизни ребенка гемоглобин этого типа обычно полностью заменяется на взрослую форму. Однако у представителей одного семейства с Ямайки, которое я обследовал, фетальный гемоглобин продолжал вырабатываться и в зрелом возрасте. Эта особенность представляла большой интерес: научившись запускать выработку плодной формы у взрослых, мы могли бы значительно облегчить страдания людей, больных серповидно-клеточной анемией. Присутствие у них в крови хотя бы 20% фетального гемоглобина практически избавило бы их от мучительных приступов и остановило бы прогрессирующее разрушение органов.
Никогда не забуду тот день, когда очередной эксперимент показал G вместо С в определенной позиции «вверх» по одному из генов, отвечавших за отключение выработки фетального гемоглобина, — как оказалось, именно из-за этого отклонения программа, запускаемая в период эмбрионального развития, продолжала работать во взрослом состоянии. Я был счастлив, но устал до изнеможения — на поиски одной-единственной нужной мне «буквы» кода ДНК у меня ушло 1,5 года.
Три года спустя я был очень удивлен, узнав, что несколько ученых, оценивая перспективы науки, начали обсуждать возможность определения последовательности ДНК для всего генома человека, насчитывающего, по оценке, около 3 млрд комплементарных пар. Казалось немыслимым, чтобы это могло произойти при моей жизни.
Мы сравнительно мало знали о возможном содержании генома. Увидеть под микроскопом нуклеиновые основания какого-либо конкретного гена не представлялось возможным (для этого они слишком малы), охарактеризованы на тот момент были лишь несколько сотен генов, и разные оценки количества генов в геноме очень сильно друг от друга отличались. Даже точного определения гена не было (и сейчас нет), поскольку оказалось, что ген не всегда можно определять как цепочку, кодирующую определенный белок. Исследования ДНК позволили выявить так называемые интроны — сегменты генов, не содержащие информации о последовательности аминокислот белка. Из РНК интрон удаляется до начала считывания кода, и в зависимости от того, как соединятся друг с другом кодирующие участки, с одного и того же гена в определенных случаях может быть считано несколько разных (но родственных друг другу) белков. Далее, между генами обнаруживались длинные цепочки ДНК, которые, судя по всему, ничего не кодировали; некоторые исследователи даже называли их «мусорными», хотя, учитывая скудость наших знаний, требовалась немалая самоуверенность, чтобы объявить какую бы то ни было часть генома мусором.
Несмотря на все сомнения, гипотетическая ценность полного генома представлялась мне бесспорной. Ведь в этой огромной инструкции удалось бы найти полную «спецификацию» человеческого организма, а заодно и ключ к множеству заболеваний, природу которых мы плохо понимаем и которые не умеем эффективнно лечить. Для меня как врача возможность раскрыть эту самую могущественную на свете книгу по медицине была особенно притягательна. Поэтому я, со своим скромным на тот момент академическим статусом и без уверенности, что столь смелый план удастся осуществить на практике, принял участие в дискуссии, выступив за организацию программы по секвенированию генома — вскоре она получила известность как проект «Геном человека».
