Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.
Шрифт:
Хотя центральная догма утверждает, что поток информации течет от ДНК через РНК к белкам, мы отмечали, что существуют исключения. Ретровирусысостоят из молекулы РНК, имеющей одну нить, которая для воспроизведения себя обычно использует имеющую две нити молекулу ДНК своего хозяина. Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), вирус, вызывающий синдром приобретенного иммунного дефицита (СПИД), является ретровирусом: он атакует иммунную систему и открывает тело для неподконтрольных инфекций. Этот вирус выделили в 1983 г. Люк Монтанье в институте Пастера в Париже, Роберт Галло в Национальном институте рака в США и Джей Леви в университете Калифорнии в Сан-Франциско. Вирус ВИЧ прикрепляется к Т-лимфоцитам, белым кровяным тельцам определенного типа, которые содержат свою РНК и фермент, называемый обратной транскриптазой. Эти молекулы попадают в окрестность молекулы ДНК в хромосоме, и фермент синтезирует ДНК-версию вирусной РНК и копию этой вновь образованной ДНК. На этой стадии возникает версия вирусной
Рестриктивный фермент— это фермент, вырабатываемый разными видами бактерий, который способен опознавать частные последовательности нуклеотидных оснований в молекуле ДНК и перерезать ее в этом месте. Фрагменты ДНК, произведенные таким способом, могут соединяться вместе с ферментом, называемым лигазой. Кусочки ДНК, которые могут воспроизводиться независимо от ДНК клеток хозяина, в которых они выросли, называются векторами;они включают плазмиды, круглые молекулы ДНК, обнаруживаемые в бактериях. Молекулы векторов, которые имеют встроенные секции ДНК, называются рекомбинантамиДНК. Эти векторы производят множество копий частных кусочков ДНК, умножая исходный материал и продуцируя большое количество клоновДНК. Поселенцы колонии, сформированной таким способом, могут быть желанным приобретением, как в производстве продукта генетической инженерии инсулина, или — как при генной терапии — могут быть возвращены в исходный организм.
Более современные методы изменения ДНК включают прямую технику микроинъекции, в которой генетический материал, содержащий новые гены, вводится в клетки реципиента посредством стеклянной иглы с тонким концом. Клетка после этого выглядит как своя собственная (или, по крайней мере, как чужая собственная) и создает механизм, с помощью которого безотказно снабжает генами ядра клеток хозяина и встраивает эти гены в них. Гены также можно встраивать, создавая поры в мембране клетки и предоставляя входящим генам возможность искать собственный путь внутрь. В химическом порообразованииклетки погружают в раствор специальных химикалий; в электропорообразованииклетки подвергают действию слабого электрического тока. Если вы полагаете, что эти техники слишком уж рафинированы, вы можете прибегнуть к биобаллистике, в которой маленькие осколки металла одевают в генетический материал и затем просто выстреливают в клетку. Тут мне вспоминается сцена в одном из фильмов про Индиану Джонса, где, после того как его оппонент продемонстрировал замечательно отработанные приемы традиционного фехтования, Джонс случайно выстрелил в него.
Раз уж мы заговорили о стрельбе, то еще одним важным следствием понимания структуры ДНК является ее использование в судопроизводстве в форме ДНК-профилирования, или, говоря менее формально ДНК-дактилоскопии. Настоящая дактилоскопия, снятие образцов узора на коже подушечек пальцев, была предложена как способ опознания подозреваемых в 1880 г. Генри Фаулдзом, шотландским врачом, работавшим в Токио. Вскоре после этого она была использована для снятия подозрений с невиновного и для опознания преступника в совершенной там ночной краже со взломом. Через сотню лет, после того как Алек Джеффрис в 1984 г. в университете в Лестере создал ДНК-дактилоскопию, опознание личности продвинулось от кончиков ее пальцев к каждой клетке ее тела. Нам следует усвоить две черты этой техники: одна — умножение микроскопических количеств ДНК, другая — реальная дактилоскопия. ДНК-профилирование является столь важной техникой в судопроизводстве, в установлении родственных связей и в эволюционных исследованиях, что оно претерпело чудовищно бурное развитие за последние двадцать лет, обрастая различными особенностями, для использования в различных обстоятельствах. Дадим краткое описание типичного подхода.
Кэри Муллис (р. 1944), изобретатель полимеразной цепной реакции(ПЦР), говорит, что эта идея пришла ему в голову в 1983 г. во время поездки при лунном свете в горах Калифорнии, где, должно быть, пролегает одна из приятнейших дорог к завоеванию Нобелевской премии. Полимераза, напомним, является ферментом, который помогает копировать нить ДНК, используя ее как шаблон; тот же фермент можно использовать в искусственной среде. Чтобы последнее стало возможным, фермент необходимо обильно снабжать нуклеотидными основаниями и двумя праймерами, представляющими собой короткие последовательности приблизительно из дюжины нуклеотидов; это позволяет реакции продолжаться. Сначала, при нагревании смеси, нити ДНК разделяются (ДНК «плавится»), затем раствор охлаждают, чтобы праймеры могли прикрепиться к соответствующим частям нитей ДНК — молекулы праймеров проталкиваются до тех пор, пока не найдут свое точное дополнение, а затем сцепляются с ним — и действовать как ограничители той части молекулы, которую надо скопировать. В конце температуру снова повышают до значения, при котором полимераза может эффективно функционировать, и на шаблоне растет комплементарная нить. Поскольку фермент должен выдерживать высокие температуры фазы плавления, он экстрагируется из бактерий, таких как Thermus oguaticus, которые живут в горячих источниках. Полный цикл занимает около трех минут. Затем его повторяют снова и снова, от тридцати до сорока раз, постепенно производя десять миллионов копий лоскутков исходной ДНК, лежащих между маркерами праймеров (рис. 2.16). Это означает, что даже из микроскопического образца ДНК нужная область может быть увеличена и сделана пригодной для экспертизы.
Рис. 2.16.Последовательность диаграмм, показывающих, как действует полимеразная цепная реакция (ПЦР). Вверху слева мы видим представление двойной спирали ДНК-мишени. На первом шагу (слева ниже) нити разделяются, и к каждой из них прикрепляются праймеры. Ферменты выращивают комплементарную нить по шаблону, предоставляемому каждой из нитей. Сдвоенные нити плавятся снова, и праймеры прикрепляются к каждой из них. Далее ферменты, как и раньше, строят комплементарные версии нитей, но теперь в смеси появляются копии ДНК, лежащие между двумя праймерами и несущие последовательность, повторяющую мишень, и после ряда повторений они начинают доминировать.
Сама техника профилирования использует полиморфизм наших генов, тот факт, что молекулы ДНК могут существенно различаться у разных индивидов. Например, мусор в интронах нашей ДНК может содержать длинные последовательности бессмысленной ДНК, накопившиеся во время мейоза. Здесь мы сосредоточимся на изменчивом числе тандемных дупликаций(ИЧТД), как, например, переменное число фрагментов …CGATCGATCGATCGAT… в одной и той же области ДНК, накопленных разными индивидами. Поскольку эти тандемные дупликации лежат в интронных областях, они ничего не означают, и индивид, как и любой наблюдатель, совершенно неосведомлен об их существовании, если только это не вариации эксонов, например, ответственных за карий или голубой цвет глаз (последний является результатом отсутствия коричневого пигмента).
Теперь предположим, что мы пользуемся ПЦР, чтобы приумножить ту часть молекулы ДНК, которая у индивидов обладает повышенной полимофностью. Действие ограничительных ферментов, таких как АlиI, которые пропихиваются, пока не найдут последовательность AGCT, защелкнутся на ней, а затем перекусят молекулу, или EcoRI, которые прикрепляются, когда наткнутся на GAATTC и режут в этой точке, будет делить умноженные области ДНК на множество фрагментов разных размеров, зависящих от числа тандемных дупликаций у индивида. Затем образец протаскивается сквозь гель с помощью приложенного электрического тока, этот процесс называют электрофорезом. Поскольку маленькие фрагменты могут проскользнуть через лес перекрестных связей в геле легче, чем большие фрагменты, образец разделяется на ряд полос, которые выглядят немного похожими на торговый штрих-код (рис. 2.17). Картина полос является изображением спектра тандемных дупликаций в образце и, следовательно, характеристикой индивида.
Рис. 2.17.Результаты ДНК-дактилоскопии жертвы, преступника и трех подозреваемых. Профили ясно указывают на подозреваемого 1 как на виновного.
С помощью этого метода или его усовершенствованных вариантов насильники заносятся в книгу, невинность становится очевидной, цари идентифицируются, псевдо-Анастасии разоблачаются, эволюционные связи устанавливаются, разбойников ловят по единому волоску, дети воссоединяются со своими семьями (не в последнюю очередь в Аргентине, где все семьи были брутально перетасованы), а отрекающихся отцов находят, несмотря на их протестующие крики о целомудрии. Не много на свете таких молекулярных достижений — создание пенициллина и противозачаточных пилюль имели подобное же значение, которые оказали такое прямое воздействие на общество.
Одним из наиболее амбициозных проектов двадцатого века было установление всех нуклеотидных последовательностей в геноме человека. Эта задача по существу, конечно, неразрешима, поскольку каждый, кто когда-либо жил (за исключением идентичных близнецов), имеет индивидуальный геном. Однако различия в составе эксонов достаточно невелики, и «типичный геном» является разумным понятием: лишь примерно одно основание на тысячу различно у разных индивидов, так что индивиды отличаются один от другого всего тремя миллионами букв, большая часть которых бессмысленна. Возможно, в один прекрасный день мы сможем выписать свой собственный геном и отнести его своим врачам (а может быть, и в наши страховые компании), а геном ребенка будет определяться при рождении: эта информация будет пригодна для записи на DVD и будет храниться в течение всей жизни.