Двойная спираль. Забытые герои сражения за ДНК

Гарет Уильямс, 2019

История ДНК – это сага, полная блестящих научных открытий, невероятных случайностей, грубых ошибок. Она начинается с обнаружения нуклеина в конце 1860-х годов и заканчивается публикацией книги Джеймса Уотсона «Двойная спираль» в 1968 году. За эти 100 лет появились Нобелевская премия, антибиотики, рентгеновская кристаллография, радар и атомная бомба, не говоря уже о том, что прошли две разрушительные мировые войны, – и каждое из этих событий повлияло на открытие ДНК. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик разгадали загадку двойной спирали, но Гарет Уильямс показывает, что их вклад был последним кусочком гигантского пазла, который собирали несколько десятилетий многие забытые историей ученые. Эта книга об одном из величайших триумфов современной науки и людях, разобравшихся в составе и структуре этой загадочной молекулы. В формате PDF A4 сохранен издательский макет.

Глава 1

Обратная перемотка

Случай № 1^[2]. Причина — пулевое отверстие в задней части черепа — как и время смерти 19-летнего мужчины вопросов не вызывало. Вместе со своим братом и отцом он был среди 8100 мужчин и мальчиков-мусульман, убитых сербскими солдатами, ворвавшимися в город Сребреницу в восточной Боснии 11 июля 1995 года.

Большую часть прошедших с тех пор лет молодой человек провел в массовом захоронении среди нескольких сотен других тел. Когда его останки были эксгумированы, скелет был собран, а небольшая часть, извлеченная из правой бедренной кости, была отправлена на генетическое тестирование. Данные анализа показали близкое соответствие другому скелету из той же погребальной ямы и одному из 100 000 образцов крови, предоставленных выжившими родственниками жертв резни.

Несколькими месяцами позже, в 19-ю годовщину зверского преступления, их мать похоронила двух своих сыновей. Она положила их рядом с мужем, чьи кости были опознаны в другой могиле 10 годами ранее.

Случай № 2^[3]. Женщина 25 лет с сильным семейным анамнезом рака молочной железы пришла в клинику генетической консультации вместе с мужем. Они пришли за результатами ее недавнего скрининга. Доктор объяснил, что у нее точечная мутация гена, который называется BRCA1. Она хотела узнать, что это значит, он подробно объяснил ей. Это настолько небольшое изменение, что его легко пропустить: просто одна «опечатка» в генетическом коде у начала гена. Однако это провоцирует осложнения. После дальнейшего обсуждения она пошла домой, чтобы все обдумать.

Вернувшись через несколько дней, она сказала доктору, что решила сделать операцию по удалению обеих грудей.

Случай № 3^[4]. Еще одно место массовых захоронений, проводившихся поспешно, но на этот раз в Англии. Большая часть из 188 похороненных в трех чумных ямах рядом с замком Херефорд были детьми в возрасте от 5 до 14 лет. Они умерли в конце весны 1349 года, когда Черная смерть уже убила половину населения континентальной Европы и приближалась к своему апогею в Британии.

Анализ материала, взятого из зубов нескольких скелетов в чумной яме 2, показал, что фрагменты ДНК соответствуют последовательности Yersinia pestis, бактерии, вызывающей бубонную чуму.

Случай № 4^[5]. Яйцо было взято из гнезда рядом с руслом высохшего ручья в уезде Сися провинции Хэнань в центральной части Китая. Хотя срок годности яйца несколько истек, в его содержимом оказались фрагменты ДНК в достаточно хорошем для анализа состоянии.

Последовательность ДНК была опубликована, что вызвало большой ажиотаж как первая попытка взглянуть на генетическое строение яйцекладущих динозавров, которые вымерли более 65 миллионов лет назад.

Эти четыре случая иллюстрируют с разных сторон огромную власть, которой наделена простая молекула: дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК. «Это заложено у меня в ДНК» стало общеупотребительным выражением. Мы считаем само собой разумеющейся научную веру в «генетический код», а именно в то, что миллионы правил, которые создают жизнь и позволяют передать ее следующим поколениям, зафиксированы в структуре этой молекулы.

Анализ ДНК — еще один предмет нашей веры. Дьявольски умные технологии, которые получили настолько широкое распространение, что больше не кажутся волшебством, позволяют амплифицировать невообразимо малое количество ДНК, вывести ее последовательность и сравнить ее с огромной библиотекой контрольных образцов. В результате, практически невидимая клеточная проба, взятая с внутренней поверхности вашей щеки, может определить, являетесь ли вы отцом своего ребенка, совершили ли преступление полвека назад и происходите ли от Чингисхана. Методы ДНК-дактилоскопии, использовавшиеся в Случае 1, также помогли установить имена и личности неизвестных солдат, павших на полях Первой мировой войны; разобраться с происхождением Этци^[6] — охотника и собирателя бронзового века, погибшего высоко в Итальянских Альпах более 5000 лет назад; и проследить масштабы скрещивания неандертальцев и Homo sapiens примерно за 60 000 лет до того.

Случаи 3 и 4 напоминают нам, что ДНК лежит в основе существования всех живых организмов, за исключением вирусов, которые в любом случае нельзя назвать в строгом смысле живыми и которые основаны на близком родственнике ДНК — рибонуклеиновой кислоте (РНК). Помимо возможности провести бактериологическую диагностику более чем через 650 лет после смерти, Случай 3 указывает на необычайную долговечность ДНК. Подобно Свиткам Мертвого моря, фрагменты молекулы могут сохраняться в читаемой форме на протяжении тысячелетий, а возможно и десятков тысячелетий.

Тем не менее все хорошее когда-нибудь заканчивается. ДНК не могут выжить через миллионы лет, это, к сожалению, означает, что клонированные динозавры обречены бродить по воображаемым местностям. Это также означает, что «древняя ДНК», извлеченная из ископаемого яйца динозавра, должна была попасть откуда-то еще. При более тщательном анализе оказалось, что она принадлежит менее экзотическим видам — в том числе грибку, мухам и человеку. Когда ДНК амплифицируется в лаборатории миллионы раз, артефакты появляются поразительно легко; ультрамикроскопические частицы загрязнителей — единственная спора грибка, экскременты мухи, пара чешуек перхоти — быстро отправят молекулярную палеобиологию в царство иллюзий и самообмана. Случай 4 прекрасно иллюстрирует опасность злоупотребления ДНК своей властью.

Случай 2, молодая женщина с опасной мутацией BRCA1 — самого распространенного гена, определяющего наследственный рак молочной железы, демонстрирует нам, как сильно ДНК-революция изменила медицинскую генетику — и какой большой путь нам еще предстоит пройти. Теперь мы можем выявлять опасные мутации и указывать на них с необычайной точностью: например, мутация у молодой женщины представляет собой однобуквенное изменение, затрагивающее 5325 основание (букву в генетическом коде) гена BRCA1, длина которого составляет 125 951 основание и который начинается с 43 044 295-го основания 17-й хромосомы. Молекулярная генетика может не только делать прогнозы, но и давать надежду. В некоторых условиях можно понять, каким образом аномальный белок, выделяемый мутировавшим геном, причиняет вред, и разработать новые препараты для коррекции этого дефекта. До сих пор, однако, эта мечта стала терапевтической реальностью лишь для нескольких заболеваний, к которым не относится наследственный рак молочной железы.

Затруднительное положение молодой женщины также обращает наше внимание на достижение, для характеристики которого недостаточно приевшихся превосходных эпитетов: побуквенная расшифровка всей последовательности ДНК (генома) Homo sapiens, который насчитывает 3,24 миллиарда оснований. Наша ДНК поделена на отрезки различной длины и запихана в 46 хромосом. Это просто необычайное мастерство упаковывания. ДНК общей протяженностью около трех метров каким-то образом свернута и сплющена так, чтобы поместиться в ядро одной клетки — и при этом постоянно занятые элементы клеточного механизма еще могут проникать в этот клубок и соединяться с определенными генами.

Если ДНК вытащить из ядра и разгладить все ее завитки, у молекулы все же останется запланированный извив. Это восхитительно: две элегантные спирали, которые точно соответствуют друг другу и всегда находятся на одном расстоянии, наматываясь на невидимую длинную ось. Это легендарная двойная спираль, с которой имена Уотсона и Крика связываются так же автоматически, как формула E = mc² связывается с Эйнштейном, а тоник — с джином.

И это может звучать шаблонно, но такая структура скрывает в себе ключ ко всей жизни и наследственности.

Двойная спираль: краткий интерактивный тур

Молекула ДНК выглядит как невообразимая с точки зрения архитектуры лестница в небо. Безусловно, она проделывает большой путь вверх. Если увеличить ее в масштабе до ширины винтовой лестницы в средневековой башне, — такой, как в замке, где она была открыта, — ДНК из ядра одной клетки растянется более чем на три миллиона километров, то есть в восемь раз больше расстояния до темной стороны Луны.

В этой книге еще рано начинать углубляться в недра молекулярной генетики, но приятная прогулка по короткому отрезку генома человека поможет обрисовать картину. Для начала найдите 17-й хромосому и идите вдоль нее, пока не дойдете до основания номер 43 044 295, затем вырежьте отрезок, который начинается здесь и заканчивается через 125 951 основание. Возможно, вы помните, что это ген, мутация которого приводит к наследственному раку молочной железы, BRCA1. Увеличьте эту последовательность до ширины средневековой винтовой лестницы, встаньте на ее конце и взгляните, как она скомпонована (Рис. 1.1).

Вы сразу же заметите, что две спирали, идущие параллельно друг другу, красивы, но неинтересны. Они обе сделаны из одних и тех же двух компонентов, соединены вместе и повторяются до бесконечности: химическое соединение, называемое «фосфат», поскольку в основе его лежит атом фосфора, и маленькая молекула сахара (дезоксирибоза), по которому названа сама ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Возможно, монотонная структура спиралей не кажется достаточно красноречивой, чтобы составить генетический код, которому как-никак нужно содержать достаточно букв для написания правил для миллионов различных молекул. На самом деле, винтовые линии играют исключительно конструктивную роль, каждая из них выполняет функцию скелета, позволяющего спирали сохранить форму. Магия двойной спирали заключается в постоянном интервале, разделяющем два спиральных остова. Если поставить молекулу вертикально, вы увидите, что пространство между спиралями заполняется горизонтальными ступеньками, расположенными через регулярные интервалы, при этом на каждый полный поворот лестницы приходится 10 ступенек. При внимательном рассмотрении вы увидите, что все ступеньки сделаны по одному замыслу, но нельзя точно предсказать, какая конструкция будет у конкретной ступеньки. Каждая ступенька состоит из двух разных частей, каждая из которых прочно прикреплена к спиральному остову и которые соединяются в середине. Вы вскоре заметите, что есть только четыре разные половины ступеньки, при этом две из них короткие, а две — длинные. Чтобы сохранять постоянное расстояние между спиральными остовами, все ступеньки должны быть одинаковой длины. Этого можно добиться, только если делать каждую ступеньку из одной короткой и одной длинной половины ступеньки; ступенька, сделанная из двух коротких или двух длинных частей, приведет к тому, что элегантные винтовые элементы будут прогибаться или выпячиваться, нарушая всю красоту и функциональность двойной спирали.

Рис. 1.1. Молекула ДНК, изображенная в виде винтовой лестницы с остовом и без него. Справа: четыре возможные ступени; A и T всегда идут вместе, так же как C и G.

Проделывая путь по большему набору ступеней — по такому количеству, которое вы захотите рассмотреть, — вы заметите, что конструкция каждой ступени непредсказуема, но не совсем произвольна. Это потому, что молекула всегда подчиняется простому правилу: каждая их двух коротких половин ступеньки может соединяться с одной определенной длинной. Если мы обозначим (не совсем произвольно) короткие половины ступенек C и T, а длинные половины — A и G, то A всегда соединяется с T, а G — с C.

Из этого правила следует, что если вы видите только половины ступенек, крепящиеся к одному из спиральных остовов, то вы можете абсолютно точно предсказать, какие половины ступенек соединяются с противоположным спиральным остовом. Например, если последовательность половин ступенек с одной стороны представляет собой C, затем A, T и, наконец, G, то с другой стороны им будут соответствовать только половины ступенек G, T, A и C, именно в таком порядке. Половины ступенек представляют собой плоские геометрические молекулы, называемые основаниями; незыблемое правило, что C соединяется с G, а A — с T, таким образом, называется «спариванием оснований». Открытие данного феномена было признано заслуживающим Нобелевской премии, что представляется обоснованным, поскольку этот принцип лежит в основе генетических механизмов, которые делает каждого из нас тем, кто мы есть.

Пока вы усваиваете эту информацию, вы можете взглянуть поближе на ген BRCA1. Поднимитесь на самый верх и встаньте на верхнюю ступеньку. Если вы боитесь высоты, не смотрите вниз: до низа более 67 километров. Теперь спускайтесь вниз по лестнице равномерно на одну ступеньку за секунду. Спуск нельзя назвать комфортным, поскольку расстояние между ступенями свыше 30 сантиметров, и чтобы дойти до низа, потребуется около 35 часов. Если начать спуск в 9 утра, то через 45 секунд после 10:28 вы будете на 5325-й ступеньке сверху. Половина ступеньки, крепящаяся к спиральному остову слева от вас, будет A, потому что такова версия BRCA1 у тех, кому повезло. В случае молодой женщины, напряженно ожидающей, когда ей дадут заключение в клинике генетической консультации, вместо этого A было G. Это единственное отличие между теми, кому повезло и кому не повезло; каждая из остальных 125 950 ступенек абсолютно идентичны у тех и других.

Блокбастер

Двойная спираль отражает «строение дезоксирибозной нуклеиновой кислоты», как Дж. Д. Уотсон и Ф. Х. К. Крик из Кавендишской лаборатории в Кембридже предположили в своей краткой работе^[7], опубликованной в журнале Nature 25 апреля 1953 года. Их заявление, что такая структура обладает «новыми свойствами, которые представляют значительный биологический интерес», полностью подтвердилось. Двойная спираль и спаривание оснований произвели революцию в нашем понимании механизмов жизни и наследственности. Их открытие стало воплощением сложных задач и славных триумфов науки и считается одним из ключевых моментов в биологии.

Этот момент запечатлен на черно-белой постановочной фотографии 1950-х годов, где два исследователя показаны вместе со своим открытием. Фрэнсис Крик, еще моложавый, но уже лысеющий, стоит справа, указывая на модель двойной спирали логарифмической линейкой, раздвинутой, как будто он выполняет вычисления. Напротив него сидит Джим Уотсон, неуклюжий и поразительно молодой, он глядит на результат их работы снизу вверх, раскрыв рот, как будто фотограф велел ему смотреть на свое создание с благоговейным ужасом. А металлическое причудливое сооружение, напоминающее паука и стоящее на лабораторной скамье между ними, — это то, что обеспечило им Нобелевскую премию и почетные места среди величайших ученых всех времен.

События, приведшие к этой фотографии и статье в журнале Nature, начались с того, что Уотсон выявил связь, которую не заметили все остальные. Он разглядел, как два типа оснований — одно короткое, одно длинное — могут проходить через промежуток между двумя спиральными остовами и соединяться вместе, образуя одну из горизонтальных ступенек. Многие смотрели бы на такое гениальное решение как на величайшее открытие в истории ДНК. Но это также отличный пример того, как удача сопутствует подготовленному уму, и в данном случае практически вся подготовка рано развившегося блестящего ума Уотсона была проделана другими людьми. Не только тем, кто показал ему фотографию 51 с ее красноречивым спиральным рисунком, или тем, кто исправил его вычисления, чтобы соединить основания друг с другом, но всеми теми, кто разработал основы химии ДНК или отстаивал невероятное утверждение, что она может играть какую-то роль в наследственности.

Сравните это с открытием, которое как будто с неба свалилось в ум, который был совершенно не готов к этому, поскольку все только начиналось и, как после Большого взрыва, до этого момента ничего не существовало.

История ДНК начинается с блестящего молодого человека, который был близок по возрасту к Джиму Уотсону и также работал в университетском городе, средневековые здания которого смотрели на живописную реку. На этом какое-либо сходство заканчивается. Экспериментальная база этого молодого человека довольно мрачна, в основном потому, что ему так нравилось; в наш более щепетильный век его лаборатория была бы закрыта Европейским агентством по безопасности труда и охране здоровья на рабочем месте вследствие многочисленных нарушений директивы 89/684/ЕЭС.

А его исходный материал, с которого началась вся сага о ДНК, еще менее привлекателен: сильно испачканные зловонные медицинские отходы, которые в наше время сразу отправились бы на сжигание.

Примечания

2

Jennings C. From Bosnia to Syria — the investigators identifying victims of genocide. Guardian, 10 Nov 2013; Emric A., Cerkez A. Bosnian Mom buries two sons 19 years after massacre. San Diego Union-Tribune, 10 July 2014.

3

Fackenthal J. D., Olopade O. I. Breast cancer risk associated with BRCA1 and BRCA2 in diverse populations. Nature Reviews Cancer 200; 7:937–48. Ген BRCA1 кодирует белок, который восстанавливает разрывы ДНК, вызванные неконтролируемым клеточным делением; мутации, подобные этой, препятствуют белку выполнять свою обычную функцию и вызы-вают предрасположенность к раку.

4

Haensch S., Bianucci R., Signoli M. Distinct clones of Yersinia pestis caused the Black Death. PloS Pathog 2010; 6:e1001134. doi: 10.1371/journal.ppat.101134. ДНК чумной бактерии (Yersinia) лучше всего сохраняется в зубах и костях своих жертв.

5

Wang H-L., Yan Z-Y., Jin D-Y. Reanalysis of published DNA sequences from Cretaceous dinosaur egg fossils. Mol Biol Evol 1997; 14:589–91.

6

Keller A., Graefen A., Zink A. New insights into the Tyrolean Iceman’s origin and phenotype as inferred by whole-genome sequencing. Nature Communications 2012; 3:698. У Этци, вероятно, были карие глаза, группа крови O и непереносимость лактозы.

7

Watson & Crick 1953a.