Геном человека. Энциклопедия, написанная четырьмя буквами

Тарантул Вячеслав Залманович

УЖРЕДКОРУКОЮОКУРОКДЕРЖУ.

В ДНК перевертышами называют отрезки двойной антипараллельной спирали, которые имеют одинаковую нуклеотидную последовательность при чтении по обеим цепям в одинаковом направлении. Это выглядит как, например, в ниже приведенном случае:

Здесь стрелками показано направление цепей ДНК, а звездочками — водородные связи, образуемые между парами нуклеотидов. Общее число таких «перевертышей» в геноме человека оценено в интервале от 10⁵ до 10⁶. При этом они относительно равномерно распределены по ДНК.

Имеются в геноме человека и нуклеотидные последовательности, которые на всем своем протяжении построены из одной единственной «буквы».

Если в одной цепи ДНК эта буква А, то в другой цепи, соответственно, будет буква Т. Такие участки названы гомополимерными. В случае приведенного выше примера последовательность нуклеотидов записывается, как поли(А) — поли(Т). Таким образом, выяснилось, что в геноме человека (а параллельно это изучали и в геномах других организмов) имеются все варианты нуклеотидных последовательностей, состоящих из 4 «букв», которые только можно себе мысленно представить.

Используя различные модификации метода реассоциации ДНК, установили также, что в большей части генома человека повторяющиеся и уникальные нуклеотидные последовательности перемежаются друг с другом, а средние длины перемежающихся повторяющихся и уникальных фрагментов ДНК составляют соответственно 300 и 2000 п. н.

Приведенные выше данные были, конечно же, усредненными и поверхностно отражали общую картину устройства генома человека. Тем не менее они послужили хорошей основой для дальнейших более углубленных исследований. Важно, что одновременно такие же работы проводились и с использованием других эукариотических организмов. Многие моменты оказались сходными у разных высших организмов и растений. Так постепенно начали вырисовываться в общих чертах основные принципы организации генома человека.

Новый этап — анализ индивидуальных элементов ДНК (генная инженерия)

Мысль ученых продолжала интенсивно работать. И в результате в 1970-х годах были разработаны принципиально новые методы работы с ДНК. Ее научились резать на фрагменты, сшивать их друг с другом, а затем переносить в клетки и целые организмы. На практике это сводится к созданию в пробирке (т. е. in vitro) новых молекул ДНК, состоящих из фрагментов разного происхождения (так называемых рекомбинантных ДНК), которые в естественных условиях не могут возникнуть благодаря установленным и тщательно охраняемым Природой межвидовым барьерам. Датой рождения нового революционизирующего направления, получившего название генной инженерии, принято считать 1972 год, когда в США была создана первая рекомбинантная молекула ДНК.

Становление генной инженерии происходило очень непросто. Уже в самом начале (в 1973 году) участники Гордоновской конференции направили письмо президенту Национальной Академии наук США, в котором высказывали серьезные опасения о возможной опасности рекомбинантных ДНК для здоровья человека и окружающей среды. Прозвучал даже призыв к мораторию на некоторые виды генно-инженерных исследований. Два года спустя состоялась конференция в Асиломаре (США), где также шла речь об опасности генно-инженерных манипуляций и их ограничении. Один из основных исследователей структуры ДНК Э. Чаргафф, в частности, вопрошал: «Имеем ли мы право посягать необратимым образом на эволюционную мудрость миллионов лет только для того, чтобы удовлетворить амбицию и любопытство нескольких ученых?» Озабоченность ученых объяснялась теоретической возможностью создания в пробирке новых генетических структур, способных вызывать необычные формы инфекционных заболеваний человека, или созданием организмов, неблагоприятно воздействующих на окружающую среду. Однако как тогда, так и по прошествии трех десятков лет не существует никаких подтверждений тому, что рекомбинантные ДНК представляют опасность для человека. Современное состояние молекулярной генетики и как вершина ее развития — секвенирование генома человека — свидетельствуют о том, что генная инженерия полностью оправдала большие надежды ученых и поддерживающей ее общественности. Сейчас уже практически нет спора в отношении важности и необходимости использования генной инженерии для решения как научных, так и практических задач, стоящих перед человечеством.

Генная инженерия как принципиально новая технология возникла в значительной мере на базе достижений, которых ученые добились при изучении молекулярных процессов, которые происходят в бактериальной клетке. Было сделано несколько важных открытий, прежде чем исследователи научились легко и направленно манипулировать с ДНК, а не просто смешивать фрагменты ДНК с бактериями и отбирать среди них случайно возникающие варианты (рекомбинанты).

Бактерии имеют высокоэффективный механизм защиты от чужеродной ДНК. Исследование этой проблемы привело к обнаружению в бактериях специальных ферментов, получившие название рестриктаз. Первые из них получены еще в 1970 г. Сейчас уже выделено несколько сот разнообразных рестриктаз из клеток разных видов бактерий. Каждый из таких ферментов «узнает» строго определенные короткие (обычно 4–6 п. н.) нуклеотидные последовательности ДНК, которые чаще всего представляют собой палиндромы, и разрезает ДНК на фрагменты по этим участкам. В результате этих свойств рестриктазы стали незаменимым инструментом в исследовании генома, своеобразным скальпелем для ДНК.

Большой удачей для экспериментаторов было то, что в большинстве случаев при нарезании рестриктазами ДНК образующиеся фрагменты содержат «липкие» концы, т. е. способны в дальнейшем соединяться друг с другом. Для восстановления химической связи таких слипшихся фрагментов стали использовать еще один новый класс ферментов — лигазы. Так появились первые инструменты, позволяющие целенаправленно манипулировать с молекулами ДНК in vitro. Следующий важный этап — размножение сконструированных рекомбинантных ДНК, чтобы можно было с ними работать дальше. Для этой цели стали использовать специальные ДНК — векторы, которые представляют собой или бактериофаги, или внехромосомные кольцевые молекулы — плазмиды, которые обладают способностью размножаться в бактериальных клетках. Если любой фрагмент ДНК внести в состав ДНК бактериофагов или плазмид, то при переносе в бактериальные клетки он будет там размножаться вместе с вектором. Наконец, были разработаны специальные подходы для отбора бактериальных клеток, в которых содержатся необходимые рекомбинантные ДНК. Все эти достижения позволили проводить клонирование ДНК, т. е. выделять из сложной смеси молекул определенные участки ДНК и размножать их.

Клонирование фрагментов ДНК дало в руки исследователей принципиально новый подход к выделению из сложной смеси ДНКовых фрагментов конкретных индивидуальных последовательностей. При этом они могли содержать осмысленные тексты (гены) или не содержать таковых. Традиционная биохимия не могла обеспечить подобную процедуру в силу того, что различные фрагменты ДНК химически очень сходны. Но генной инженерии это оказалось вполне под силу. Схематически процесс клонирования ДНК изображен на рис. 13.

Рис. 13. Схема процесса клонирования ДНК с использованием в качестве вектора бактериальной плазмидной ДНК

После разрезания ДНК на фрагменты с помощью рестриктазы все они соединяются ковалентно с вектором (вектор разрезан той же рестриктазой) в результате «слипания» концов молекул и последующей обработки «гибридов» лигазой. Так в пробирке создается искусственная или рекомбинантная ДНК. Затем осуществляют перенос множества образовавшихся рекомбинантных молекул в бактериальные клетки — трансформацию. Особенность процесса трансформации заключается в том, что в одну бактериальную клетку попадает лишь одна рекомбинантная молекула ДНК. После этого, благодаря отбору, размножаются только бактерии с рекомбинантными ДНК, содержащими требуемые нуклеотидные последовательности.

Для изучения структуры генома необходимо не только клонировать все его участки в виде рекомбинантных молекул, но, главное, расшифровать в них последовательность нуклеотидов, т. е. «прочесть» ДНКовый текст.

Важным моментом во всей этой генно-инженерной «кухне» было создание принципиально новой технологии размножения индивидуальных фрагментов ДНК in vitro. Этот удивительно простой метод получения фрагментов ДНК в неограниченном количестве копий был придуман при необычных обстоятельствах — ночью, во время автомобильной поездки в горах Калифорнии. Автор этой идеи нобелевский лауреат Кэри Б. Мюллис так вспоминает момент озарения. «Иногда удачная идея приходит в голову совершенно неожиданно. Со мной, например, это случилось в одну из апрельских ночей в 1983 г., когда я, сидя за рулем автомобиля, пробирался по освещенной луной горной дороге в секвойные леса Северной Калифорнии. Мысль моя случайно натолкнулась на процесс, благодаря которому можно получать копии генов в неограниченных количествах. Теперь он называется «полимеразной цепной реакцией». За создание новой технологии ее автор получил Нобелевскую премию.