5.6. Генетика и молекулярная биология

Генетика

– наука, изучающая механизмы наследственности и изменчивости в живой природе. Слово «генетика» происходит от греческого genesis – происхождение. Основы этой научной дисциплины были заложены австрийским ученым Г. Менделем, который открыл законы наследственности. Г. Мендель показал, что наследование признаков происходит дискретно. Ученый скрещивал гладкий и морщинистый сорта гороха, в результате в первом поколении он получал только гладкие семена, а во втором – четверть морщинистых семян. Анализируя эти экспериментальные данные, Г. Мендель пришел к выводу, что в зародышевую клетку поступает информация от обоих родителей, но в первом поколении проявляется только один, доминантный признак, а во втором – доминантные и рецессивные признаки распределяются в пропорции 3:1. Это явление было названо расщеплением признаков. Результаты экспериментов Г. Менделя опровергли тезис о том, что рецессивные признаки живого организма должны постепенно стираться в череде поколений. Открытые закономерности свидетельствовали: рецессивные мутации не исчезают бесследно, а сохраняются в генетическом фонде популяции и проявляются через поколение. Значение открытия Г. Менделя, сделанного еще в XIX в., было по достоинству оценено только в XX в., который не без основания называют веком генетики.

В 1900 г. законы наследственности были вновь открыты сразу тремя учеными – X. де Фризом (Голландия), К. Корренсом (Германия) и Э. Чермаком (Австрия). Для объяснения выявленных в ходе экспериментов закономерностей X. де Фриз предложил теорию мутаций.

Мутация

– это внезапное изменение наследственных структур, вызванное естественным или искусственным путем. Термин «мутация» происходит от латинского mutatio – изменение. Как показали эксперименты, мутационный признак не исчезает, а постепенно накапливается в генофонде популяций, что является основой изменчивости в живой природе. Х. де Фриз предположил, что новые виды возникают именно в результате мутаций. Поначалу голландский ученый противопоставил мутации естественному отбору, заявив, что «значение отбора ограничено, эволюция идет путем резких скачков, мутаций». Однако позже Х. де Фриз согласился, что именно естественный отбор способствует закреплению полезных мутаций и, следовательно, процессу эволюции.

После открытия Х. де Фриза в течение 20–30 лет в генетике лавинообразно накапливался новый эмпирический материал и появлялись объясняющие его теоретические гипотезы. В 1920-е гг. А. Вейсманом, Т. Х. Морганом, А. Стер-тевантом, Г. дж. Меллером была разработана хромосомная теория наследственности, которая проясняла строение хромосом, порядок расположения генов – носителей наследственной информации, т. е. механизмы и причины мутационных изменений. Г. дж. Меллер, в частности, показал, что мутации могут вызываться рентгеновскими лучами, воздействием химических веществ, резкими изменениями температуры и т. п.

В 1940-е гг. была открыта нуклеиновая природа гена и выяснена роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственной информации. Этими исследованиями занималась школа американского генетика Т. Х. Моргана. На их основе возникла новая научная дисциплина – молекулярная биология, объединившая биохимию и генетику.

В 1944 г. американский биохимик О. Эвери и его команда установили, что носителем наследственной информации является ДНК, а в 1953 г. Ф. Крик и Д. Уотсон расшифровали ее структуру. Оказалось, что молекула дНк состоит из двух полинуклеиновых цепей, каждая из которых выступает в качестве матрицы для синтеза новых цепей. Выяснилось также, что именно свойство к самоудвоению молекул ДНК является основой механизма наследственности.

В последующие десятилетия учеными была установлена зависимость синтеза белков от состояния генов, осуществлен искусственный синтез гена, расшифрована аминокислотная последовательность многих белков и т. п. Ко второй половине XX в. в генетике был накоплен колоссальный эмпирический и теоретический материал. Наука вплотную приблизилась к разгадке одной из величайших тайн – самовоспроизводства живого. Выяснение молекулярных механизмов передачи генетической информации открыло совершенно новые возможности для практического применения этих знаний.

Воспроизводство всего живого определяется синтезом белков при помощи нуклеиновых кислот

ДНК (дезоксирибонуклеиновой) и РНК (рибонуклеиновой).

Как уже говорилось, в образовании белков участвует 20 аминокислот из 100 известных современной органической химии. Носителями генетической информации являются молекулы ДНК, которые находятся в хромосомах ядер клеток. ДНК состоит из двух спаренных полинуклеотидных цепочек, закрученных в спираль. Звеньями молекулы ДНК выступают нуклеотиды.

Нуклеотид

– это соединение азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты. В состав молекулы ДНК может входить один из четырех типов нуклеотидов, специфика которых определяется азотистым основанием: аденин (А), тимин (Т), цитозин (С), гуанин (G). Молекулу ДНК можно представить в виде огромного текста, состоящего из последовательности четырех букв А, Т, С, G в разных сочетаниях. Подобная модель ДНК была предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном и английским биофизиком Ф. Криком. А в 1962 г. эти ученые и биофизик М. Уилкинс получили Нобелевскую премию за расшифровку генетического кода.

Цепочки ДНК соединены между собой водородными связями, причем аденин всегда связывается с тимином, а цитозин с гуанином. Такая связь структурно соответствующих друг другу азотистых оснований называется принципом комплиментарности. Для кодирования одной аминокислоты требуется сочетание трех нуклеотидов. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называется геном. Изменение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к мутациям.

Механизм воспроизводства живого представляет собой матричный синтез белков, который происходит в несколько этапов. Сначала разрываются водородные связи двойной молекулы ДНК и образуются одинарные цепи, выступающие в виде матрицы. Затем каждая из нитей по своей поверхности строит новую. Новые цепи пристраиваются к старым по принципу комплиментарности. В результате формируются две идентичные молекулы ДНК.

Существенную роль в процессе синтеза белков играют молекулы РНК. Молекула РНК представляет собой одноцепочечную нить, состоящую из нуклеотидов. В состав молекулы РНК также входят четыре азотистых основания: три из них – аденин, цитозин и гуанин – сходны с азотистыми основаниями, входящими в состав молекулы ДНК, а четвертое – урацил (U) – отличается. С молекулы ДНК генетический код переносится на молекулу информационной РНК, которая представляет собой копию части ДНК, т. е. одного или нескольких рядом расположенных генов. Синтез белка осуществляется в рибосомах на основе генетического кода информационной РНК. Аминокислоты, необходимые для синтеза белка, доставляются в рибосому с помощью транспортной РНК. Весь процесс синтеза белка занимает не более 6 мин. Механизм матричного синтеза белков представляет собой не простое копирование, а копирование с частичными изменениями, что делает возможным как наследование признаков, так и дискретные отклонения от исходного состояния.

Одной из важнейших и интереснейших задач, стоящих перед современной наукой, является расшифровка генома человека

Геном

– это совокупность генов, сосредоточенных в единичном наборе хромосом данного организма. В 1988 г. для решения этой задачи по инициативе Дж. Уотсона была создана международная организация «Геном человека». По разным оценкам в состав генома человека входит от 50 тыс. до 100 тыс. генов. Успех даже на первом этапе расшифровки (определение последовательности нуклеотидных пар) приведет к пониманию причин и механизмов различных наследственных, инфекционных и т. п. заболеваний и позволит выработать эффективные методы их лечения.

Новые возможности открывает

генная инженерия.

Генная инженерия, или технология рекомбинантных ДНК, сложилась в 1970-е гг. на основе синтеза методов молекулярной биологии и генетики. Генная инженерия – это раздел молекулярной биологии, в котором изучаются возможности целенаправленного конструирования новых биологических структур с заранее заданными свойствами за счет прямого вмешательства в генетический аппарат и комбинирования природного или созданного искусственно генетического материала.

В последнее время в генной инженерии исследуется целый комплекс вопросов, связанных с непостоянством генома. Оказалось, что в хромосомах и цитоплазме клетки существует целый ряд биохимических соединений, которые находятся в хаотичном состоянии и способны к взаимодействию со структурами нуклеиновых кислот другого организма. Эти биохимические соединения были названы плазмидами. Плазмиды способны включаться в клетку реципиента и активизироваться под действием определенных внешних факторов. Переход из латентного состояния в активное означает соединение генетического материала донора с генетическим материалом реципиента. Если полученная конструкция работоспособна, то начинается синтез белка. Понятно, что, используя данный механизм, можно изменить ДНК, запрограммировав ее на синтез определенных белков. На основе этой технологии в 1978 г. был синтезирован инсулин – белок, позволяющий бороться с диабетом.

Мигрирующие генетические элементы обнаруживают значительное сходство с вирусами. Открытие явления трансдукции генов, т. е. переноса генетической информации в клетки растений и животных с помощью вирусов, включающих в себя часть генов исходной клетки хозяина, дает основание предполагать, что вирусы и сходные с ними биохимические образования занимают особое место в эволюции. Некоторые ученые высказывают мнение, что мигрирующие биохимические соединения способны вызвать даже более серьезные изменения в геномах клеток, чем мутации. Если это предположение окажется верным, то придется существенно пересмотреть нынешние представления о механизмах эволюции. Сейчас выдвигаются гипотезы о значительной роли вирусов в смешении генетической информации различных популяций, возникновении скачков эволюционного процесса, одним словом, речь идет о важнейшей роли вирусов в эволюционном процессе.

Безусловно, генная инженерия дает ключ к решению многочисленных научных, медицинских и даже производственных проблем, стоящих перед человечеством, в частности созданию организмов с заранее заданными свойствами, лечению наследственных заболеваний путем «пересадки» отдельных генов (генная терапия), созданию безопасных вакцин и высокоэффективных лекарственных препаратов, объяснению иммуногенеза и канцерогенеза, что позволит человечеству бороться с заболеваниями, которые пока считаются неизлечимыми (онкологические заболевания, СПИД и т. п.). Кроме того, новые данные молекулярной биологии и возможности генной инженерии позволят значительно увеличить продолжительность жизни человека.

При этом развитие генной инженерии связано с опасностью, контуры и масштабы которой пока трудно оценить. Во-первых, могут быть созданы модифицированные организмы с нежелательными или неожиданными свойствами. Во-вторых, внедрение генных технологий уже привело к созданию многочисленных рекомбинантных микроорганизмов, распространение которых спровоцировало появление новых заболеваний. В-третьих, последствия генной терапии (непосредственного вмешательства в генотип человека), которая проводится уже на протяжении нескольких лет, также пока неизвестны. Ученые смогут с уверенностью говорить о том, как поведет себя введенный в клетку ген через 10–20 лет. В-четвертых, существует реальная опасность использования продуктов генной инженерии в военных целях. Именно поэтому любые теоретические исследования и особенно практические эксперименты в этой области требуют осмотрительности, серьезной подготовки и жесткой регламентации. Тем не менее Федерация европейских микробиологических обществ в Меморандуме 1996 г. заключила: «При осмотрительном применении генных технологий польза от них сильно перевесит риск отрицательных последствий; технологии конструирования рекомбинантных ДНК внесут существенный вклад в здравоохранение, в развитие устойчивого сельского хозяйства, в производство пищи, в очистку окружающей среды».

О практических возможностях современной биологической науки свидетельствуют также опыты с клонированием, результаты которых обнародованы в последние годы. Термин «клон» происходит от греческого klon – ветка, побег.

Клонирование

– это точное (на генетическом уровне) воспроизведение живого объекта в

-n-ом

количестве копий. При клонировании гены донорской особи сохраняются и в полном объеме передаются рождающемуся потомству. В этом случае гены доноров-родителей и клонов-детей не просто схожи, как в случае полового размножения, а полностью идентичны.

Случаи естественного клонирования известны давно. Это, например, рождение однояйцовых близнецов, которые несут одинаковые наборы генов. Искусственное клонирование растений черенками, почками или клубнями не только известно, но и используется уже более 4 тыс. лет. Возможность искусственного клонирования животных появилась только в XX в. В 1950-е гг. американские ученые начали проводить эксперименты с клонированием эмбрионов амфибий, используя метод пересадки ядер эмбриональных клеток в лишенные ядер (энуклеированные) яйцеклетки. В 1970-е гг. начались опыты по клонированию мышей, которые, однако, оказались не слишком удачными – эмбрионы клонированных животных погибали на ранних стадиях.

Первые сведения об успешном клонировании животных появились еще в 1980-е гг. Это были эксперименты на кроликах, свиньях, коровах и овцах. В 1993–1995 гг. английский ученый Я. Уилмут и его группа, работавшая в Эдинбургском биологическом институте, методом клонирования получили пять ягнят (самок). Две клонированных особи погибли вскоре после рождения, третья – в возрасте 10 дней, а две оставшиеся достигли 8-9-месячного возраста. Эти эксперименты, однако, не произвели такой сенсации, как появление весной 1997 г. овечки Долли. Механизм клонирования Долли выглядел следующим образом. Из овец породы «шотландская черномордая» были выделены яйцеклетки, которые поместили в искусственную питательную среду. Затем из клеток удалили собственные ядра и «наполнили» их генетическим материалом клонируемой особи-донора. Для этой цели использовались клетки молочной железы шестилетней беременной овцы породы «финский дорсет». Затем зародыши культивировали в перевязанном яйцеводе овцы-реципиента. Фенотипически Долли оказалась полностью сходной с овцой породы «финский дорсет», которая выступала донором, и сильно отличалась от овцы-реципиента породы «шотландская черномордая».

После этого успеха некоторые ученые заговорили о том, что технология, результатом которой стало появление овечки Долли, потенциально может быть применима и к человеку. Эта информация вызвала бурную дискуссию, которая обнаружила, что в связи с возможностью клонирования человека возникают многочисленные этические и юридические вопросы. Дело в том, что из 277 опытов, проведенных с эмбрионами овцы, успешным оказался только один, а значит, клонирование человека по такой технологии не страхует от появления уродов, причем вероятность их конструирования составляет как минимум 276: 1. Один этот факт может служить основанием для моратория на эксперименты с клонированием человека, поскольку возможные отрицательные последствия таких опытов значительно превышают положительные.

Теоретически клонирование человека может иметь положительные стороны: решение проблемы бесплодия, создание банка запасных клеток и тканей и т. п. Но они минимальны на фоне огромного риска получения негативных результатов, которые могут нанести колоссальный урон здоровью, благополучию и безопасности людей. Клонирование человека, безусловно, открывает огромные возможности, которые даже трудно представить в полном объеме, но ставит и новые вопросы, поиск ответов на которые требует философского осмысления и в некоторых случаях даже политической воли. Интуитивные решения в сфере клонирования человека оказываются недостаточными, поскольку от содержания ответов напрямую зависит эволюционное будущее человечества.

В этой ситуации большинство ученых и политиков говорят о необходимости ввести запреты на эксперименты по клонированию человека. Так, в октябре 1997 г., практически сразу после обнародования результатов по клонированию овечки Долли, Федерация научных обществ экспериментальных биологов США объявила пятилетний мораторий на эксперименты по клонированию человека. Клонирование людей законодательно запрещено в Великобритании, США и России. Однако при этом в апреле 2002 г. информационные агентства мира сообщили, что первых клонированных человеческих существ могут родить две женщины в бывшем СССР и одна гражданка неназванной исламской страны, которые беременны клонами на шестой-девятой неделе.

Эти сведения были получены от итальянского специалиста по искусственному оплодотворению С. Антинори. Этот факт, даже если он не подтвердится, свидетельствует, что борьба сторонников и противников клонирования человека продолжается.