Предисловие

Эта книга посвящена самым различным вопросам генетики и молекулярной биологии. Однако ее ни в коем случае нельзя рассматривать как учебное пособие или справочник. Это своего рода антология – сборник отдельных очерков, связанных единством темы. Тем не менее, читать их лучше подряд, особенно если вы не очень сильны в предмете.

Вы узнаете о тонкой структуре клеток разного типа и работе их центрального звена – гигантских молекул нуклеиновой кислоты, на которых записывается наследственная информация. Мы поговорим о вирусах – удивительных организмах, умеющих встраиваться в генетический аппарат клетки и разрушать его изнутри. Разберемся с соотношением биологического и социального в природе человека: в какой мере наши способности и характер запрограммированы генетически, а в какой – обусловлены влиянием среды. Тема гибели динозавров тоже не останется без внимания, поскольку генетика имеет к ней самое непосредственное отношение.

Сегодня ученые достаточно уверенно говорят о времени расхождения эволюционных линий приматов и человека, сравнивая уровень мутационной изменчивости в молекулах нуклеиновых кислот. Метод молекулярных часов позволил не только установить место и время происхождения Homo sapiens – людей современного типа, но и решить проблему образования человеческих рас. А расшифровка человеческого генома и достижения биотехнологий последних лет способны в обозримом будущем обеспечить генную терапию наследственных болезней и создание искусственных микроорганизмов с заранее заданными полезными свойствами.

Пусть читателя не пугает непривычная терминология – она сложна только на первый взгляд. Обойтись без нее нельзя, как невозможно представить себе школьный курс геометрии без слов «медиана», «катет», «гипотенуза» и «биссектриса». К тому же все термины в книге неоднократно объяснены: непосредственно в тексте, в сносках и в словаре терминов, размещенном в конце книги.

В заключительной части книги мы немного пофантазируем на тему очень далеких перспектив генно-инженерных технологий. Речь идет о реконструкции нашего вида. Всегда ли человек будет оставаться сообразительной обезьяной или, встав на путь управляемой автоэволюции, радикально перекроит собственное несовершенное тело? И как далеко может зайти этот процесс? Имеются основания полагать, что, когда мы научимся конкурировать с Природой на равных, а затем и превзойдем ее, реконструкция вида станет практически неизбежной. А некоторые ученые не исключают даже появления разумных неантропоморфных форм жизни…

«Гороховые» законы Грегора Менделя

Основоположнику генетики Грегору Менделю выпал нелегкий жребий – он почти на полвека опередил свое время. А когда его вклад оценили наконец по достоинству и генетику открыли заново, далеко не все ученые были в восторге. Многие приняли новую науку откровенно в штыки и пренебрежительно именовали законы Менделя «гороховыми» законами.

Особенно не повезло генетике в Советской России. К началу 1930-х годов у нас сформировалась лучшая в мире генетическая школа. Но она была разрушена до основания, когда у руля отечественной биологии встали откровенные политические шарлатаны во главе с народным академиком Т. Д. Лысенко, а многие выдающиеся ученые, в том числе Н. И. Вавилов и С. С. Четвериков, бесследно сгинули в сталинских лагерях.

Мендель был современником Чарльза Дарвина. «Происхождение видов путем естественного отбора» увидело свет в 1859 году, а работа Менделя «Опыты над растительными гибридами» была опубликована в 1865 году.

Как известно, дарвинизм покоится на трех китах – наследственности, изменчивости и отборе, а одно из центральных положений фундаментального дарвиновского труда гласит, что наследственные вариации крайне незначительны, малозаметны, но со временем накапливаясь, они дают вполне ощутимые уклонения, которые, в конечном счете, и порождают виды. Сами по себе эти крохотные изменения (сегодня их называют мутациями, хотя в эпоху Дарвина такого термина не существовало) могут быть какими угодно по знаку – хоть вредными, хоть полезными, а сортирует их давление среды, выметая брак и бережно сохраняя ценные приобретения. В роли этого безличного селекционера выступает естественный отбор: особи с полезными наследственно обусловленными задатками активно развиваются, оставляя большое потомство, а организмы, обремененные вредными признаками, куда менее плодовиты и гибнут раньше.

Чарльз Дарвин

Как уже говорилось, «Происхождение видов путем естественного отбора» вышло из печати в 1859 году, а в 1867 году английский врач Флеминг Дженкин (1833–1885) выступил с критикой теории Дарвина, заявив, что малые вариации неизбежно будут находиться под угрозой исчезновения. И в самом деле: если организм приобретает новый признак (то есть некое отклонение в ту или иную сторону), а затем скрещивается с особью без всякого отклонения или с отклонением в сторону противоположную, то у потомков едва проклюнувшийся новый признак довольно быстро исчезнет или поменяет знак. Другими словами, любое наследственное уклонение будет неизбежно «разбавляться» в ряду поколений, пока от него почти ничего не останется.

Вот тут-то и появился монах-августинец Грегор Мендель, доказавший, что признак нельзя расколоть на произвольное количество фрагментов. Он неделим, подобно атому древних греков, и наследуется как единое целое, – долей или частиц признака в природе не существует. Более того, наследуются даже не сами признаки, а особые внутриклеточные структуры – гены, которые их кодируют, о чем, разумеется, в XIX веке не подозревали, но сумели сообразить, что за пестротой внешних проявлений должен прятаться некий вполне материальный носитель.

Грегор Мендель

В 1854–1868 годах Мендель преподавал физику и естественную историю в средней школе города Брюнне (ныне чешский город Брно), а на досуге выращивал горох в саду родного монастыря, причем руководствовался при этом соображениями высокой науки. Он был на редкость трудолюбив и аккуратен, и за восемь лет кропотливой работы вырастил около 10 тысяч гороховых кустов, прежде чем осмелился на лаконичную публикацию в местной прессе. Это историческое событие произошло в феврале 1865 года, и сегодня этот день по праву считается днем рождения современной генетики.

Менделю очень повезло с объектом. Его предшественники работали с материалом, который разнился между собой по нескольким признакам сразу, поэтому однозначно истолковать результат было весьма непросто. А вот горох имеет великое множество рас, которые отличаются друг от друга по одной-единственной паре альтернативных признаков. По сути дела, это чистые сорта, так что количественный анализ гибридов превращался в рутинную процедуру. Убедившись в однородности материала, Мендель проанализировал закономерность наследования как в тех случаях, когда родительские организмы отличались по одной альтернативной паре, так и в случаях, когда они различались по нескольким парам признаков. Скрещивание, в котором родительские особи анализируются по одной альтернативной паре признаков, называется моногибридным, по двум признакам – дигибридным, по многим – полигибридным.

Шарлотта Ауэрбах, профессор генетики Эдинбургского университета, пишет:

Грегор Мендель работал с горохом – самоопыляемым растением, поэтому у него была возможность проанализировать потомство каждой особи отдельно. Скрестив два сорта гороха – один с гладкими, а другой с морщинистыми семенами, – он обнаружил, что все потомство (так называемые гибриды первого поколения) имеет гладкие семена. Таким образом, у гибридов проявился лишь один из альтернативных родительских признаков, но и второй, как выяснилось впоследствии, не канул в небытие. Мендель назвал ведущий признак гибридов первого поколения доминантным, а тот, который временно спрятался, – рецессивным (от латинского recessus – отступление), а обнаруженную закономерность – правилом единообразия гибридов первого поколения.

После этого он отобрал гладкие гибридные семена, вырастил из них гороховые кусты, дал им созреть до цветения и самоопылиться. Получившиеся семена были уже вторым гибридным поколением, внуками исходных растений. Мендель тщательно их пересчитал и разбил на группы. Единообразие нарушилось: из 7324 семян 5474 оказались гладкими, а 1850 – морщинистыми. Будучи математиком, Мендель сразу же обратил внимание, что число 5474 почти втрое превышает число 1850. Расщепление признаков во втором поколении описывалось соотношением 3:1.

Аналогичные результаты обнаруживались и в других опытах, когда во внимание принимались иные признаки. Например, потомство растений с желтым и зеленым цветом семян всегда оказывалось желтого цвета, а при скрещивании между собой гибридов первого поколения непременно наблюдалось расщепление 3:1. Точно такая же картина наблюдалась при скрещивании растений с пурпурными и белыми цветками: сначала полное единообразие с доминированием пурпурной окраски, а затем известное нам расщепление в соотношении 3:1.

Мендель предположил, что в основе наследственности лежит некий материальный фактор, или носитель (о генах и хромосомах в ту пору не было даже речи). Попадая в зародышевые клетки, менделевские факторы комбинируются в процессе оплодотворения, а затем вновь расходятся, когда начинается очередной цикл гаметогенеза – производства половых клеток. Тем самым Мендель привнес в биологию точный расчет.

Но строгая теория великого чеха с математическими закономерностями настолько опережала тогдашние весьма расплывчатые представления о строении клетки и наследовании признаков, что оказалась совершенно невостребованной. Мысль о дис кретности наследственных факторов и свободном их комбинировании выглядела абсолютной ересью, поэтому его труд «Опыты над растительными гибридами», ставший впоследствии классическим, благополучно лег на полку.

Законы Менделя были «переоткрыты» спустя почти полвека, в 1900–1901 годах, совокупными усилиями трех ученых – голландца Гуго де Фриза, немца Карла Корренса и австрийца Эриха Чермака. И только тогда, с неприлично большим опозданием, научный мир по достоинству оценил безупречную логику эксперимента полузабытого чеха и красоту его расчетов.

Терминология Менделя заметно отличалась от современной. Сегодня его факторы, или задатки, называются генами. Это слово придумали в XX веке, когда поняли, что наследственные факторы расположены в хромосомах – особых структурах, лежащих внутри клеточного ядра. Разумеется, Мендель об этом понятия не имел, однако совершенно безукоризненно объяснил суть своего открытия. Чтобы получилось наблюдаемое распределение признаков, у родителей с самого начала должен быть двойной набор генов. А почему бы и нет? Тогда его результаты получают вполне естественное объяснение. Нужно только предположить, что у каждого из родителей имеется по два гена каждого сорта, а в зародыш попадает только по одному из них. И все тут же становится на свои места. Очевидно, что гены, отвечающие за окраску семян, неодинаковы и существуют в двух разновидностях – аллелях. Точно так же дело обстоит и с генами, управляющими формой семян.

Гуго де Фриз

Карл Корренс

Эрих Чермак

Чтобы не запутаться, обозначим эти гены, отвечающие за реализацию признака, буквами латинского алфавита. Гены, относящиеся к одной паре, принято обозначать одной и той же буквой, причем аллель доминантного состояния признака обозначают прописной буквой, а аллель рецессивного – строчной. Тогда аллель желтой окраски семян следует обозначить буквой А, аллель зеленой окраски – буквой а, гладкую аллель – буквой В, а морщинистую – буквой b. А теперь внимание: в клетке с двойным набором генов они могут быть как одинаковыми, так и разными – АА, аа или Аа. Организм с одинаковым аллельным вариантом называется гомозиготным, а с разным – гетерозиготным[1]. Итак, поскольку в соматической[2] клетке всегда содержатся оба варианта данного гена, особь, гомозиготную по доминантной аллели, мы запишем как АА, гомозиготную по рецессивной аллели, – как аа, а гетерозиготную – как Аа (если речь идет об окраске семян). Аналогично гомозигота по гладкой аллели запишется как ВВ, гомозигота по морщинистой аллели – как bb, а гетерозигота – как Bb. Важно отметить, что рецессивная аллель проявляется только в гомозиготном состоянии, а доминантная – как в гомозиготном, так и в гетерозиготном.

Как мы помним, каждый из родителей передает потомству только один вариант гена, поэтому у гомозиготного организма имеется только один тип половых клеток (гамет) – А или а. А вот у гетерозиготной особи половые клетки будут нести как доминантную аллель А, так и рецессивную а, причем их будет примерно поровну. Клетки с двойным набором генов (соматические) называются диплоидными, а половые клетки – гаплоидными, так как несут половинный набор. Забегая немного вперед, напомним значение терминов генотип и фенотип. Генотип – это совокупность генов (наследственных задатков), а фенотип – совокупность внешних признаков.

Таким образом, опыты по скрещиванию двух гомозиготных особей с разной окраской семян – желтой и зеленой – следует записать так: АА x аа. Взаимодействующие между собой гаметы четырех типов – А, А, а, а – могут дать в итоге только один-единственный вариант – Аа, то есть потомство в первом поколении будет гетерозиготным по генотипу, а фенотипически – совершенно однородным (желтая окраска семян). Рецессивный ген а подавлен, скрыт, потому что его более сильный партнер А не дает ему проявиться.

Другими словами, гетерозигота в данном случае фенотипически неотличима от родительской гомозиготы с доминантным геном желтой окраски семян. Поэтому первое правило Менделя, или правило единообразия первого гибридного поколения, можно сформулировать так: при скрещивании гомозиготных особей, отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных признаков, все потомство в первом поколении единообразно как по фенотипу, так и по генотипу.

А вот когда мы переходим к следующему этапу – скрещиваем гибриды первого поколения между собой, то получаем совершенно иную картину. Каждая гетерозигота (Аа) образует в равных количествах два типа гамет – половину с доминантными аллелями А и половину с рецессивными аллелями а. Яйцеклетка, несущая аллель А, может быть оплодотворена как сперматозоидом с аллелью А, так и сперматозоидом с аллелью а, причем вероятность этих событий примерно одинакова.

Точно так же дело обстоит и с яйцеклеткой, несущей аллель а: или а+А, или а+а. Поэтому на выходе мы получаем зиготы четырех типов – АА, Аа, Аа, аа. По фенотипу растения АА, Аа и Аа друг от друга неотличимы (единственное исключение – вариант аа), отсюда и возникает знаменитое менделевское расщепление 3:1, однако по генотипу расклад выглядит несколько иначе – 1АА: 2Аа: 1аа.

Итак, второй закон Менделя гласит: при скрещивании двух гетерозиготных особей, анализируемых по одной альтернативной паре признаков (то есть гибридов первого поколения), в потомстве ожидается расщепление по фенотипу в соотношении 3:1, а по генотипу – в соотношении 1:2:1.

Подытоживая сказанное, можно сделать следующие выводы:

1) аллельные гены, находящиеся в гетерозиготном состоянии, не изменяют друг друга;

2) при созревании гамет из гибридов образуется приблизительно равное число гамет с доминантными и рецессивными аллелями;

3) при оплодотворении мужские и женские гаметы, несущие доминантные и рецессивные аллели, свободно комбинируются.

Первый из этих выводов (несмешиваемость аллельных генов, которые находятся в гетерозиготном состоянии) Мендель назвал гипотезой чистоты гамет. Это явление, основанное на парности генов, расположенных в одних и тех же локусах[3] гомологичных хромосом, впоследствии получило исчерпывающее объяснение, когда цитологи как следует разобрались в строении клетки.

Грегор Мендель был человеком, который пришел слишком рано, поэтому современники в большинстве своем отнеслись к его пионерским исследованиям как к забавному курьезу. Строгий количественный подход не впечатлил биологов XIX века. А вот если бы Дарвин внимательно прочитал замечательную работу чешского коллеги, теория происхождения видов раз и навсегда освободилась бы от невыносимого проклятия Дженкина – утраты вновь приобретенных признаков в ряду поколений.

В теории происхождения видов было еще одно слабое место – вопрос о наследовании приобретенных признаков. Конечно, сегодня мы знаем, что приобретенные признаки не наследуются – об этом написано в школьном учебнике биологии. А вот Дарвин высказывался на эту тему весьма уклончиво, и тому были причины – в его время не было и не могло быть настоящей теории наследственности.

Август Вейсман

Точки над «i» расставил немецкий биолог Август Вейсман в начале ХХ века. На протяжении многих лет он рубил крысам хвосты и тщательно обмерял каждый новый приплод. Через его руки прошло двадцать два поколения несчастных грызунов, но хвосты у потомства упрямо продолжали вырастать до нормальной длины. Приобретенные признаки не наследовались.

После переоткрытия законов Менделя на рубеже XIX–XX веков генетика развивалась весьма бурно.

Было установлено, что гены находятся в хромосомах – небольших тельцах, лежащих попарно внутри клеточного ядра. Такие парные хромосомы называются гомологичными. Например, в соматических клетках человека содержится 46 хромосом, объединенных в 23 пары. Аллельные гены, кодирующие разные варианты одного и того же признака, расположены в одних и тех же локусах гомологичных хромосом. А вот половые клетки, образовавшиеся в результате особого варианта клеточного деления, содержат половинный набор хромосом. При слиянии половых клеток происходит восстановление исходного двойного набора, причем зародыш получает одну хромосому от отца, а другую от матери. Все в полном соответствии с законами Менделя.

В ХХ веке выкристаллизовалась хромосомная теория наследственности, а взаимодействие генов оказалось куда более сложным, чем это виделось Менделю. Было изучено взаимодействие аллельных (парных) генов и обнаружены такие явления, как неполное доминирование (когда ни один ген не является доминирующим, в результате в организме наблюдается влияние обоих генов) и сверхдоминирование (когда доминантная аллель ведет себя непоследовательно: в гетерозиготном состоянии проявляется ярко, а в гомозиготном – слабо).

При изучении неаллельных (непарных) генов было открыто много интересного. Если они влияют на один и тот же признак, усиливая его проявление, говорят о полимерии, а вот зависимость нескольких признаков от одного-единственного гена называется плейотропией. Например, довольно известная наследственная аномалия арахнодактилия («паучьи пальцы»), которая встречается при болезни Марфана и выражается в удлинении и утончении пальцев рук и ног, обусловлена геном, вызывающим, кроме того, патологию хрусталика в глазном яблоке.

Непарные гены умеют действовать и взаимодополняюще (комплементарно): каждый из них доминантен, но в отсутствие соседа молчит. Противоположное явление, когда непарная доминантная аллель подавляет действие другой доминантной аллели, называется эпистазом. Встречаются и множественные аллели, возникшие в результате многократного мутирования одного и того же хромосомного локуса.

Таким образом, помимо стандартной пары (доминантная плюс рецессивная версия гена) возникает третий член – промежуточная аллель, которая по отношению к доминантному гену ведет себя как рецессивная, а по отношению к рецессивному гену выступает в роли доминантной аллели. Между прочим, по такой схеме наследуются группы крови.

В XX столетии были открыты мутации (термин введен Гуго де Фризом) – внезапные скачкообразные изменения наследственных структур, поставляющие материал для естественного отбора. Различают мутации геномные (изменение числа хромосом), хромосомные (структурные изменения хромосом) и генные (их труднее всего распознать, поскольку они затрагивают отдельные гены).

Кроме того, мутации бывают соматическими и генеративными. Первые ограничиваются клетками тела, а вторые вмешиваются в генетический аппарат гамет и отражаются, таким образом, на последующих поколениях (если мутация происходит в клетках, из которых развиваются гаметы, или в самих половых клетках).

Наконец, существует фенотипическая (ненаследственная) изменчивость, которая не затрагивает генотип и называется модификационной. Она обусловлена средой обитания и является приспособительной. Даже на однояйцевых близнецов, которые имеют идентичный набор генов, условия среды могут повлиять весьма ощутимо. Если один из братьев занимается, предположим, гиревым спортом, а другой – легкой атлетикой, результат будет, что называется, налицо. Но их дети, разумеется, не унаследуют ни рельефной мускулатуры, ни феноменальной прыгучести, поскольку модификационные изменения по наследству не передаются.

а

б

Мутация ДНК: а – нормальная ДНК; б – измененная ДНК

Правда, у некоторых видов давление среды может приводить к возникновению длительных модификаций, которые закрепляются в ряду поколений. Так, например, при воздействии высокой или пониженной температуры на куколок колорадского жука окраска взрослых животных меняется. Этот признак удерживается в нескольких поколениях, а затем происходит возвращение прежней окраски.

По-видимому, в таких случаях работает цитоплазматическая наследственность: внешний фактор вызывает изменения в тех частях цитоплазмы (то есть гелеобразной внутриклеточной среды, в которой плавают органеллы – «внутренние органы» клетки; некоторые цитоплазматические структуры могут размножаться независимо от деления клетки), которые затем могут авторепродуцироваться.

Такой взгляд породил разного рода «катастрофические» сценарии, в которых масштабные изменения флоры и фауны связывают в первую очередь с природными катаклизмами (например, «астероидная» гипотеза вымирания динозавров). При этом совершенно упускается из виду тот общеизвестный факт, что эволюция вовсе не нуждается в катастрофах и может идти даже в условиях абсолютной стабильности, когда никаких изменений не происходит вовсе.

Выдающийся отечественный генетик С. С. Четвериков в статье «О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения генетики», опубликованной еще в 1926 году, показал, что природные популяции несут в себе огромный запас ранее произошедших мутаций, буквально впитывают их, как губка впитывает воду, а значит, исходный материал у эволюции всегда в избытке.

И в самом деле: если большинство живых существ несут по два экземпляра каждого гена, а новые мутации, как правило, рецессивны (то есть внешне никак себя не проявляют), то под сходством внешнего облика представителей того или иного вида должно скрываться ошеломляющее генетическое разнообразие, накопившееся в длинном ряду поколений.

Мейоз и митоз

Митоз – это деление клетки. Как известно, почти все клетки нашего организма время от времени делятся, но это не банальное деление пополам, а сложный многофазный процесс. Однако прежде чем говорить о митозе (и о другом варианте клеточного деления – мейозе), необходимо познакомиться со строением клетки.

Все живое на планете Земля состоит из клеток[4] – миниатюрных лужиц протоплазмы, не видимых простым глазом. Первым в этот удивительный мир заглянул любознательный голландец Антони ван Левенгук (1632–1723), трудолюбивый натуралист-самоучка.

Он был владельцем небольшой мануфактурной лавки, а в свободное время исполнял обязанности привратника городской ратуши Дельфта – маленького голландского городка.

В середине XVII века Дельфт славился отменными мастерами-оптиками, но Левенгук был лучшим. Его короткофокусные линзы диаметром меньше 1/8 дюйма (один дюйм равняется 2,54 см) давали увеличение в 150–300 раз и были по тем временам непревзойденным шедевром инженерного мастерства. Замечательные стекла Левенгука оставались вне конкуренции не только на протяжении всей жизни мастера, но и спустя много лет после его смерти.

Наведя свой прибор на дождевую каплю, Левенгук первым обнаружил «ничтожных зверюшек», самозабвенно резвящихся в прозрачной воде. Его занимало решительно все – кровь, слюна, зубной налет, семена растений и чешуйки собственной кожи. Левенгук был первым ученым, кто увидел и зарисовал простейших, бактерии, сперматозоиды в семенной жидкости, а также красные кровяные тельца – эритроциты и их движение в капиллярах. Правда, он считал, что его «маленькие животные» устроены в точности так же, как и крупные организмы, то есть имеют ножки, хвостики, органы пищеварения, кровеносную систему и т. д.

Вклад голландца в естественные науки трудно переоценить, однако сам термин «клетка» принадлежит не ему, а его современнику – английскому ученому Роберту Гуку (1635–1703). В 1665 году Гук опубликовал труд под названием «Микрография, или физиологическое описание мельчайших тел, исследованных с помощью увеличительных стекол», установил клеточное строение тканей и впервые описал растительные клетки, хотя микроскоп его конструкции давал всего лишь тридцатикратное увеличение.

Роберт Гук

Матиас Шлейден

Теодор Шванн

К середине XIX века трудами немецкого ботаника Матиаса Шлейдена (1804–1881) и зоолога Теодора Шванна (1810–1882) была в общих чертах сформулирована клеточная теория строения всего живого. Шлейден установил, что любая растительная клетка имеет в своем составе ядро, и продемонстрировал его роль в росте и делении клетки, а Шванн в работе «Микроскопическое исследование о соответствии в строении и росте животных и растений» определил клетку как универсальную структурную единицу животного и растительного мира. А чешский естествоиспытатель Ян Эвангелист Пуркине (1787–1869) ввел в научный обиход широко известный термин «протоплазма».

Ян Эвангелист Пуркине

Во времена Менделя о тонком строении клетки было известно очень мало. Знали только, что она представляет собой пузырек вязкой жидкости (ее Пуркине и назвал протоплазмой[5]), окруженный оболочкой и заключающий в себе ядро. Несовершенная микроскопическая техника середины XIX века не позволяла разглядеть более тонкие структуры. Разумеется, сегодня мы знаем о строении клетки гораздо больше, поскольку в распоряжении ученых имеются современные приборы.

Все клетки подразделяются на ядерные, то есть имеющие оформленное ядро (эукариоты — от греч. karyon – «орех», «ядро ореха»), и не имеющие ядра (прокариоты). Организмы животных, растений и грибов построены из ядерных клеток. Все простейшие (вспомните инфузорию туфельку и амебу из школьного курса зоологии) тоже эукариоты, а к числу прокариот относятся бактерии и сине-зеленые водоросли.

Если посмотреть на живую клетку в мощный электронный микроскоп, мы увидим, что это не просто комочек слизи с ядром в центре, а сложный организм с богатой внутренней структурой. От внешней среды клетку отделяет цитоплазматическая мембрана (ЦПМ), или плазмолемма, через которую осуществляется транспорт ионов кальция, натрия и калия, а также воды и небольших молекул. Кроме ЦПМ – внешней оболочки клетки – существует система мембран внутренних (эндомембран), которые делят внутриклеточное пространство на замкнутые объемы разной величины и формы.

Строение ядерной клетки (эукариоты)

Система внутренних мембран формирует сеть трубчатых цистерн и пузыревидных расширений до 100 нм в диаметре (так называемый эндоплазматический ретикулюм), аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоли и множество других внутриклеточных образований – органелл. На лизосомы – крохотные пузырьки около двух микрон в диаметре – возложена функция внутриклеточного пищеварения, аппарат Гольджи управляет ростом ЦПМ и принимает участие в обмене белков и углеводов, а вакуоли служат целям осмотической регуляции[6], сначала всасывая, а затем выводя наружу воду, проникшую в клетку из внешней среды. В полостях эндоплазматической сети располагаются небольшие тельца – рибосомы, на которых идет синтез белка.

Все органеллы плавают в жидкой внутриклеточной среде – цитоплазме, которая представляет собой гомогенный водный раствор неорганических и органических веществ (в частности, белков и ферментов) с вязко-упругими свойствами. Подобная консистенция достигается за счет микрофиламентов – тонких и длинных нитевидных белковых структур. Цитоплазма не покоится, но течет со скоростью от одного до шести сантиметров в час, и органеллы перемещаются вместе с ней. Кроме того, микрофиламенты отвечают за перемещение клеточных ядер и некоторых других органелл и принимают участие в образовании перетяжки в ходе клеточного деления.

Особый интерес представляют митохондрии – энергетические станции клетки (в растительных клетках их аналогом являются хлоропласты). Эти органеллы обладают развитой системой собственных эндомембран, которые являются продолжением их двуслойной оболочки и образуют внутренние выпячивания – кристы. В клетке имеется от ста пятидесяти до полутора тысяч митохондрий, а у крупных простейших их количество достигает полумиллиона. Окисляя органические вещества, митохондрии накапливают энергию в форме аденозинтрифосфата (АТФ), которой и снабжают клетку. Хлоропласты растительных клеток осуществляют процессы фотосинтеза, то есть преобразуют энергию солнечного света в энергию химических связей сложной органики, прежде всего углеводов. Из простых веществ, вроде углекислого газа и воды, они синтезируют сложные органические соединения. Как митохондрии, так и пластиды располагают собственным генетическим аппаратом – кольцевой молекулой ДНК и могут размножаться самостоятельно, вне зависимости от деления клетки.

Приблизительно в центре клетки находится довольно крупное округлое образование – клеточное ядро, окруженное собственной двойной мембраной и заполненное вязкой жидкостью – кариоплазмой. Внутри ядра лежит тельце поменьше – ядрышко. А вот хромосомы – своего рода командный пункт – без помощи электронного микроскопа не разглядеть: они становятся видимыми, когда клетка начинает подготовку к делению.

Но вот клетка приступила к митозу. Внутри ядра образовался рыхлый клубок длинных перепутанных нитей – произошла спирализация хромосом. Теперь они хорошо заметны в обычный световой микроскоп. Нити медленно и хаотично движутся, постепенно становясь все короче и толще. Рассосалась ядерная мембрана, исчезло ядрышко. Хромосомы, ставшие совсем короткими и плотными, выходят в цитоплазму и располагаются в экваториальной плоскости клетки, выстроившись в цепочку. Затем они расщепляются вдоль – их количество удвоилось. Теперь сестринские хромосомы лежат параллельно друг другу.

Митоз

На полюсах клетки тоже произошли изменения: от периферии к центру медленно ползут тонкие нити. Это заработала центриоль – полый цилиндр, продуцирующий веретено деления, те самые тонкие нити, что ползут к экватору. Центриоль – небольшая внутриклеточная структура, от 350 до 500 нм длиной и около 150 нм в диаметре. Незадолго до удвоения хромосомного материала она делится пополам, и эти половинки оперативно разъезжаются к противоположным полюсам делящейся клетки.

Веретено деления представляет собой протяженный конгломерат из пучка тубулярных образований (микротрубочек), которые упакованы в плотный тяж из нескольких десятков полых элементарных волокон (вплоть до сотни и даже более). Один конец веретена деления зафиксирован на центриоли, а другим цепляется за хромосомную перетяжку – кинетохор, или центромеру, после чего нити веретена начинают сокращаться и растаскивают хромосомы к полюсам клетки.

Когда хромосомы собираются у полюсов, образуется перетяжка, рассекающая материнскую клетку надвое. На ее месте возникают две дочерние клетки, и каждая из них получает полный набор генетического материала, поскольку он был предварительно удвоен[7].

Это и есть митоз – стандартное бесполое размножение эукариотических клеток, протекающее в несколько стадий (профаза, прометафаза, метафаза, анафаза и телофаза). Стадия, когда клетка пребывает в покое, называется интерфазой.

Однако помимо митоза существует, как мы помним, и другой вариант клеточного деления – мейоз (от греч. meiosis – «уменьшение»). Таким путем образуются половые клетки – гаметы. Но что и почему уменьшается в ходе мейоза?

Сначала повнимательнее присмотримся к хромосомам. Пусть это будет хотя бы горох, на котором Мендель открыл законы наследственности. Во всех клетках, даже если они взяты из разных частей растения, мы обнаружим 14 хромосом. Они располагаются попарно, значит, в случае гороха мы имеем семь пар – семь разновидностей хромосом. Хромосомы разных пар отличаются друг от друга некоторыми деталями строения – расположением перетяжек, длиной, толщиной и др. Но внутри каждой пары хромосомы похожи как две капли воды, поэтому их называют гомологичными (подобными).

Хромосомные наборы других видов будут выглядеть иначе. Например, в клетках человека мы найдем 46 хромосом (23 пары), в клетках кукурузы – 10 (5 пар), а в клетках плодовой мушки дрозофилы – 8 (4 пары). Короче говоря, каждый вид характеризуется вполне определенным числом хромосом, но это число всегда будет четным, так что хромосомы легко разбить попарно. Единственное исключение составляют половые клетки, которые в отличие от соматических (клеток тела) несут не двойной (диплоидный), а одинарный (гаплоидный) набор хромосом.

Мейоз

А теперь вернемся к мейозу. Каким образом из соматических клеток с двойным набором генетического материала получаются урезанные гаметы? На первых порах мейоз как будто бы ничем не отличается от митоза: хромосомы исправно проходят фазу спирализации и становятся толстыми и короткими. А потом все идет наперекосяк: вместо того чтобы расположиться в экваториальной плоскости, они объединяются попарно и устраивают некое подобие старинного танца, когда партнеры то кружатся, взявшись за руки, то разбегаются по сторонам. Хромосомы сначала сближаются и приникают друг к другу, а затем расходятся в стороны. Но при этом они успевают обменяться кусочками своих тел – у новой хромосомы «голова» и «хвост» оказываются от разных хромосом. А затем следуют подряд два клеточных деления, но хромосомы удваиваются только единожды, и на выходе образуются половые клетки с гаплоидным (одинарным) набором хромосом.

Итак, мейоз представляет собой одну из форм непрямого клеточного деления, при котором происходит редукция (уменьшение) числа хромосом. В отличие от митоза, мейоз осуществляется в два этапа. Во время первого мейотического деления (его принято называть редукционным) генетический материал предварительно не удваивается (как при митозе), поэтому дочерние клетки получают лишь по одному партнеру из каждой хромосомной пары. Второе деление представляет собой обычный митоз и никак не влияет на число хромосом. В результате двух последовательных мейотических делений образуются четыре зародышевые (половые) клетки, каждая из которых содержит гаплоидный набор хромосом.

Восстановление диплоидного состояния происходит во время оплодотворения, когда половые клетки сливаются. У животных путевку в жизнь зародышу дает слияние сперматозоида с яйцеклеткой, а семена растений возникают от слияния женской зародышевой клетки (семяпочки) с мужской зародышевой клеткой (пыльцевым зернышком).

Не правда ли, вся эта хромосомная свистопляска как две капли воды похожа на поведение выдуманных Менделем «факторов», которые сегодня называют генами? И действительно: и те и другие содержатся в клетке в двойном наборе, и как в зародыш попадает по одному гену от каждого из родителей, точно так же и зигота (зародышевая клетка после оплодотворения) получает по одной хромосоме каждого «сорта» с материнской и отцовской стороны. Сходство так велико, что едва ли это случайное совпадение. Следует отдать должное прозорливости великого чеха, который, ничего не зная ни о хромосомах, ни о мейозе, столь блистательно разобрался в сути вопроса и вывел законы наследственности, заложив тем самым основы современной генетики.

В начале XX столетия, когда законы Менделя были открыты заново, биологи уже не сомневались, что гены имеют самое прямое отношение к хромосомам. Но хромосома, как известно, построена из белка особого типа и нуклеиновой кислоты. Где же конкретно прячется наследственный фактор и что он собой представляет? Одним словом, что такое ген? Об этом речь пойдет в следующей главе.

Двойная спираль

Когда в 1940-х годах XIX века Матиас Шлейден изучал процессы клеточного деления (об этом упоминалось в предыдущей главе), он описывал рождение дочерней клетки как своеобразное почкование. Разумеется, он ошибался.

Через 30 лет после Шлейдена немецкий цитолог Вальтер Флеминг (1843–1905) отметил любопытный факт: при окрашивании клетки внутри ядра обнаруживается яркое пятно, окрашенное наиболее интенсивно. Флеминг назвал эту субстанцию хроматином (от греч. chroma – «цвет»). В ходе клеточного деления структура хроматина менялась – он распадался на множество окрашенных телец, хорошо видимых под микроскопом.

Вальтер Флеминг

Уолтер Саттон

А в самом начале прошлого века американский биолог Уолтер Саттон (1876–1916) установил, что поведение хромосом при делении клетки замечательно согласуется с распределением наследственных признаков, описанных основоположником генетики Грегором Менделем. И в самом деле: каждый вид характеризуется строго определенным количеством хромосом, которое сохраняется у потомков, а при половом размножении в дочерние клетки всегда попадает одна хромосома от матери и одна от отца. В конце XIX столетия было установлено, что хромосомы построены из белков и нуклеиновой кислоты (от лат. nucleus – «ядро»). Нуклеиновые кислоты были открыты швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером (1844–1895) в 1869 году, задолго до выяснения их роли в передаче наследственной информации. В то время (и вплоть до 1940-х годов) «молекулой жизни» считались белки, а нуклеиновым кислотам отводилась сугубо подсобная роль, что совсем неудивительно: белки были прекрасно изучены, а о нуклеиновых кислотах никто ничего толком не знал. Правда, выдающийся русский генетик Николай Константинович Кольцов (1872–1940) еще в 1927 году высказал предположение, что наследственные признаки передаются с помощью «гигантской наследственной молекулы, построенной, возможно, из двух зеркальных цепей», чем почти на 30 лет предвосхитил открытие двойной спирали ДНК.

Фридрих Мишер

Н. К. Кольцов

Тем не менее, большинство ученых продолжало отдавать пальму первенства белкам. Но вскоре им пришлось пересмотреть свои взгляды. В 1944 году американский бактериолог Освальд Эвери убедительно продемонстрировал, что за наследственные свойства любого организма отвечает дезоксирибонуклеиновая кислота, а в 1953 году британские ученые Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс построили наглядную модель упаковки этой гигантской молекулы.

Освальд Эвери

Сегодня мы знаем, что все без исключения внутриклеточные процессы – от синтеза белков до размножения клеток – регулируются нуклеиновыми кислотами (они бывают двух типов – рибонуклеиновая – РНК и дезоксирибонуклеиновая – ДНК), а молекула ДНК содержит всю полноту генетической информации о каждом индивидуальном организме, будь то бактерия, человек или вирус.

Как же устроена эта молекула жизни?

Молекула ДНК представляет собой спиральную двухцепочечную структуру, закрученную вокруг своей оси. Цепочки (или нити) собраны из остатков сахаров, обломков фосфорной кислоты и азотистых оснований – так называемых нуклеотидов. Осколки фосфорной кислоты и сахаров образуют своего рода каркас молекулы, выступают в роли «сахарофосфатного» остова, напоминающего перила винтовой лестницы, а нуклеотиды располагаются внутри перил наподобие ступенек. Обе нити молекулы ДНК удерживаются друг около друга за счет водородных связей между азотистыми основаниями противолежащих нитей. Азотистые основания бывают пяти видов – аденин (A), гуанин (G), тимин (T), цитозин (C) и урацил (U), причем аденин всегда взаимодействует только с тимином, а цитозин – с гуанином. Урацила в молекуле ДНК нет, он входит в состав РНК вместо тимина.

Молекула ДНК

Другое отличие РНК от своей двоюродной сестры заключается в том, что центральным звеном сахаро-фосфатного остова у нее является сахар рибоза (отсюда и название – рибонуклеиновая), тогда как в молекуле ДНК рибоза теряет один атом кислорода и превращается в дезоксирибозу.

Наконец, молекула РНК у всех клеточных организмов состоит из одной-единственной нити и выполняет в клетке вспомогательные функции, а основным носителем генетической информации является ДНК. И только у некоторых вирусов она вполне самостоятельна и существует в виде двух цепочек.

Уникальные последовательности нуклеотидов, объединенные в тройки – триплеты и насчитывающие десятки, сотни, а то и многие тысячи звеньев, представляют собой кодирующие участки молекулы ДНК – гены. Таким образом, морфологически и структурно ген – это фрагмент молекулы ДНК. Когда клетка собирается разделиться, она предварительно удваивает свой генетический материал. При этом молекула ДНК расплетается, и на каждой из нитей, как на матрице, происходит сборка дочерней нити, в точности повторяющей последовательность нуклеотидов родительской, ибо тимин всегда соединяется только с аденином, а цитозин – с гуанином. В результате появляются две идентичные дочерние ДНК, которые при делении (митозе) расходятся по разным клеткам.

Кроме передачи признаков потомкам, ДНК занимается синтезом белка. В молекуле ДНК хранится наследственная информация о структуре всех без исключения белков, необходимых для нормальной жизни клетки. В клетках высших организмов – эукариот – ДНК располагается в ядре, а система рибосом, внутриклеточных органелл, на которых ведется сборка белка, находится в цитоплазме.

Каким же образом информация с ДНК попадает на рибосомы?

Сборка белка – многоступенчатый и трудоемкий процесс, и для успешного его осуществления ДНК нужен посредник, в роли которого выступает другое нуклеопротеидное соединение – уже знакомая нам рибонуклеиновая кислота (РНК), которая в клетках высших организмов всегда играет сугубо подсобную роль. В силу своей «однонитчатости» (двухцепочечная РНК, как мы помним, встречается только у некоторых вирусов), она не закручивается в спираль, а образует причудливые структуры в виде шпилек, петель, крестов, клубков и других геометрических фигур.

Есть три типа РНК – информационная (ее еще называют матричной), рибосомальная и транспортная.

Синтез белка

Первым делом с молекулы ДНК снимается копия – матричная (информационная) РНК, причем каждому азотистому основанию ДНК соответствует комплементарное (буквально – дополнительное, а по сути – идентичное) азотистое основание РНК. Однако в отличие от репликации ДНК при делении клетки, когда копированию подвергается вся молекула целиком, при белковом синтезе копируются только лишь строго определенные участки материнской молекулы. Такое выборочное копирование приводит к тому, что матричная РНК-посредник всегда получается ощутимо короче своей родительницы. Затем она отходит от ядра в цитоплазму и приближается к рибосомам – своеобразным станкам по производству белка.

Информационная РНК обычно формирует так называемый полисомный комплекс – своего рода матрицу, на которой, как в типографии с набранного шрифта, начинается печать свежих белковых молекул. А работу по доставке готовых строительных блоков (то есть аминокислот, из которых построены белки) выполняют транспортные РНК.

Итак, сначала инструкция по синтезу белка переписывается на матричную РНК, а затем воплощается в материале на полирибосомном комплексе. Транспортные РНК, представляющие собой сравнительно небольшие молекулы, подтаскивают к растущей белковой цепочке все новые и новые аминокислоты (любой белок строится из аминокислот) и нанизывают их в точном соответствии с уникальной последовательностью нуклеотидов (азотистых оснований) матричной РНК.

Различная последовательность нуклеотидов приводит к синтезу разных белков. Одна молекула белка собирается на рибосоме за 20–30 секунд, и чем больше рибосом включается в состав полисомы, тем больше молекул сходит с конвейера в единицу времени.

Когда потребность в белковых молекулах определенного типа полностью удовлетворена, в дело вступает особый ген-регулятор. Он дает команду, и фрагмент ДНК, отвечающий за синтез этого белка, прекращает свою деятельность до тех пор, пока клетка снова не ощутит в нем потребность. Этот классический механизм обратной связи отшлифован в длинном ряду поколений до немыслимого совершенства.

Остается добавить, что у всех современных организмов – от вирусов до высших млекопитающих – система «ДНК – РНК – белок» функционирует с помощью большого количества ферментов-катализаторов, без которых многоступенчатый процесс белкового синтеза немедленно скисает. Ни одна нуклеиновая кислота не умеет копировать себя самостоятельно.

А теперь поговорим о генах. Учебники генетики 20–30-летней давности утверждали, что у человека должно быть около миллиона генов. Цифра явно взята с потолка, потому что к тому времени были расшифрованы генотипы только самых примитивных одноклеточных живых существ. Поскольку у бактерий количество генов колеблется от нескольких сотен до двух-трех тысяч, молекулярные биологи рассудили, что у человека их будет по крайней мере на два порядка больше.

По прошествии нескольких лет специалисты пересмотрели свои позиции и остановились на том, что в геноме человека примерно 140 тысяч значащих генетических последовательностей – то есть генов, кодирующих какие-либо белки.

Но и эта цифра оказалась чересчур оптимистичной. Когда в начале XXI века человеческий геном был полностью расшифрован и описан, выяснилось, что генов у нас с вами всего-навсего 20–25 тысяч, то есть практически столько же, сколько у белых мышей. Тогда же пришлось отказаться от классической догмы молекулярной биологии: «один ген – один фермент». Ведь оказалось, что бо ?

льшая часть ДНК простаивает без дела и неизвестно чем занимается. Но в этом случае возникает закономерный вопрос: почему экономная природа не избавилась от ненужного хлама и продолжает его бережно хранить? Значит, он для чего-то все-таки нужен?..

О том, что гены бывают структурные и функциональные, ученые знали еще давно. Со структурными генами все более или менее ясно – они определяют последовательность аминокислот в полипептидной цепочке, то есть занимаются своим прямым делом – синтезом белков и ферментов. Функциональные гены не вмешиваются в рутинную процедуру белкового синтеза, но они контролируют деятельность других генов, оперативно включая и выключая те или иные внутриклеточные процессы. (Вспомним, например, ген-оператор, который в нужный момент приостанавливает синтез белкового продукта.)

И функциональные, и структурные гены относятся к кодирующей части молекулы ДНК, но исследования последних лет показали, что от 98 до 99 % генома (то есть почти вся молекула ДНК) приходится на так называемый джанк (от англ. junk – «хлам, отбросы»), то есть на бесполезный балласт – внегенные участки ДНК, никак не связанные ни с продукцией белков или ферментов, ни с регуляторной деятельностью функциональных наследственных структур.

Как известно, геном человека практически идентичен геному высших приматов (совпадение около 98 %).

Но это касается только кодирующих последовательностей (функциональных и структурных генов). А вот удельный вес «мусорной» ДНК у человека не идет ни в какое сравнение с аналогичным показателем других видов. Почему так – в точности никто не знает, но всякий экстраординарный факт, даже не имеющий внятного объяснения, заслуживает пристального внимания.

Быть может, всему виной зигзагообразная эволюция нашего вида, оставившая нам в наследство генетический мусор? А может быть, избыточный джанк – вовсе не мусор, а ценное эволюционное приобретение, которое позволило виду Homo sapiens оставить позади сообразительных обезьян, так и не овладевших речью. Как говорится, поживем – увидим.

Во всяком случае, уже сегодня ясно, что внегенные фрагменты ДНК далеко не бесполезны. Во-первых, они принимают самое активное участие в образовании молекул РНК, которые формируют несущий каркас рибосом – внутриклеточных «фабрик», отвечающих за синтез белка. Во-вторых, с их подачи рождаются на свет очень маленькие молекулы РНК (так называемые микро-РНК), которые постоянно вмешиваются в работу полноценных генов. Наконец, в джанке прячутся транспозоны – своего рода диверсанты, способные к примитивной белокпроизводящей деятельности. Предполагают, что это осколки древних вирусов, которые встроились в человеческую ДНК еще в незапамятные времена.

Автор ряда научно-популярных книг Рафаил Нудельман утверждает:

Вполне вероятно, что основательная «замусоренность» ДНК высших организмов как раз и является главной причиной многоэтапной передачи наследственной информации в клетках эукариот. В прокариотах матричная РНК образуется на молекулах ДНК без всяких сложностей и немедленно приступает к синтезу белка на рибосомах. А вот в ядерных клетках все совершенно иначе. Сначала они синтезируют неполноценную предшественницу матричной РНК, а потом подвергают ее решительному усекновению с помощью ферментативного аппарата. Ферменты режут молекулу РНК на короткие цепи, бо ?

льшая часть которых распадается, после чего «огрызок», избавленный от ненужных пустот, выходит из ядра в цитоплазму и берется за дело. Этот процесс называется «созреванием РНК».

При внимательном изучении мусорная свалка внегенной ДНК обернулась настоящим золотым дном. Чуть больше года назад в джанке нашли удивительные микроскопические фрагменты – снипсы (от англ. SNP, single-nucleotide polymorphism – «однонуклеотидный полиморфизм»). Чтобы разобраться в этом, нужно сначала вспомнить, что молекула ДНК (и ген как ее часть) построена из азотистых оснований четырех типов – аденина (A), тимина (T), цитозина (C) и гуанина (G).

Дальше предоставим слово Рафаилу Нудельману:

Поскольку в человеческом геноме содержится как минимум около трех миллиардов нуклеотидов, а снипсовые замены составляют примерно один процент, не составит большого труда отыскать по крайней мере около 30 миллионов точечных локусов, где имеется некоторый вполне ощутимый разнобой. Другими словами, индивидуальный снипсовый профиль – вещь вполне реальная, поскольку число возможных сочетаний однонуклеотидных замен астрономически велико. Это напоминает дактилоскопию, но только на уровне тонких генетических расхождений, поскольку совершенно невозможно себе представить двух разных людей с абсолютно идентичным снипсовым профилем.

Если бы все дело ограничивалось впечатляющими, но бесполезными цифрами, снипсам не уделили бы должного внимания. Однако совсем недавно выяснилось, что эти неуловимые различия ассоциированы с генетической предрасположенностью людей к тем или иным болезням. Речь, разумеется, не о том, что снипсы могут выступать в роли неких болезнетворных генов. Они всего лишь маркеры, своего рода опознавательные метки некоторых патологических состояний, помогающие специалистам выявить болезнь, вызываемую совокупным действием нескольких генов.

На подозрении оказались сахарный диабет обоих типов[8], некоторые разновидности злокачественных новообразований, глаукома, различные аутоиммунные болезни, рассеянный склероз и т. д. Поскольку во всех этих случаях удалось выявить статистически значимую связь «снипсового профиля» человека с его предрасположенностью к той или иной болезни, на повестку дня встал вопрос о тестировании граждан на предмет вероятности подцепить какую-нибудь хворь.

Иными словами, речь идет о своего рода генной диагностике, что позволит в перспективе подбирать лечение индивидуально. Например, абсолютной реальностью станет прицельная фармакотерапия, когда лекарственные препараты будут назначать в зависимости от чувствительности к ним больного. Но ведь можно поступить куда более радикально: научиться ремонтировать дефектные гены или, по крайней мере, вычеркивать из генома те из них, которые отвечают за тяжелые наследственные недуги. Однако сначала нужно как следует разобраться с взаимовлиянием генотипа и среды обитания, вычислить удельный вес наследственно обусловленных качеств.

Классическая формула «ДНК – РНК – белок» сегодня выглядит довольно наивной. Реальная картина оказалась гораздо сложнее. Помните микро-РНК, которые вмешиваются в работу генов? Сначала их обнаружили у растений и некоторых примитивных животных вроде круглого червя C. elegans[9] – крохи около миллиметра длиной. Микро-РНК (они и в самом деле очень невелики и состоят всего из 21–25 оснований) связываются с путешествующей в цитоплазме матричной РНК и блокируют ее работу. На матричной РНК, как мы помним, записана инструкция по производству белка, но если к ней прицепилась микро-РНК, белковый синтез тормозится. Налицо прямое воздействие на генетический аппарат клетки (ибо гены в первую очередь заняты регуляцией синтеза белка), о котором совсем недавно цитологии даже не подозревали!

Чуть более 10 лет назад микро-РНК обнаружили и у человека. На сегодняшний день в человеческом геноме найдено около 700 микро-РНК, и по оценкам ученых, скоро это число дойдет до 1000. Между тем у нас всего лишь около 20 тысяч генов, кодирующих белки. Если же допустить, что каждая микро-РНК может влиять на работу нескольких генов (установлено, что они могут связываться сразу с несколькими типами матричной РНК), то под контроль этих крошечных молекул попадает треть человеческого генома. Одним словом, перед нами система регуляции невообразимой сложности, поскольку микро-РНК влияют не только на матричную РНК, но и друг на друга.

Уже нащупываются терапевтические подходы, использующие микро-РНК. Например, блокируя miR122, можно регулировать синтез холестерина и лечить гепатит. Опыты на животных показали: уровень холестерина в крови снижается на 40 %. Онкологи тоже заинтересовались малыми РНК, поскольку выяснилось, что при некоторых лейкозах они синтезируются в повышенных количествах. Если же их заблокировать, то можно затормозить опухолевый рост. А при других формах рака наблюдается падение уровня микро-РНК, причем именно таких, которые подавляют активность онкогенов. Кроме того, введение некоторых микро-РНК повышает чувствительность опухолевой ткани к радиации и химиотерапевтическим препаратам. А совсем недавно было показано, что малые РНК определенного типа способны блокировать работу генов вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). Вполне вероятно, что лет через восемь-десять появятся первые лекарственные препараты на основе микроРНК для лечения СПИДа и рака.

Гены, бактерии, вирусы

При слове «бактерия» у людей, далеких от биологии, возникают самые неприятные ассоциации. На памяти человечества – жуткие инфекционные напасти вроде опустошительной эпидемии «черной смерти», выкосившей в XIV столетии более 30 % населения Европы. Но это только средние цифры: в Норвегии умерли четыре пятых всего населения, а некоторые европейские страны совершенно обезлюдели. По мнению специалистов, это была вторая пандемия[10] чумы. Первая случилась в Византии, в годы правления императора Юстиниана (VI век новой эры), и потому называется юстиниановой. Третья пандемия пришлась уже на вполне исторические времена. Она началась в Гонконге в 1894 году и растянулась почти на три десятилетия, захватив большие портовые города. Именно тогда был открыт возбудитель инфекции – палочка под названием Yersinia pestis.

Микробиология делала большие успехи, но и в новые времена вспышки инфекционных болезней всегда были непременными спутниками социальных потрясений. Достаточно вспомнить хотя бы азиатскую холеру, разразившуюся в Европе в середине XIX века, или тифы – брюшной и сыпной – на фронтах Первой мировой и Гражданской войны. И даже сегодня, когда большинство грозных инфекций вроде бы давным давно канули в небытие, мы продолжаем сталкиваться с сальмонеллами, вызывающими тяжелые пищевые отравления, или с вездесущими стафилококками, прозванными чумой XX века.

Чумная палочка под микроскопом

Однако не стоит демонизировать микробов. Уже к началу ХХ века биологи знали, что бактерии распространены повсеместно, а совокупность их маленьких тел образует тот незримый фундамент, на котором покоится весь органический мир[11]. Если этот микробный фундамент необратимо разрушить, то через короткое время рухнет и вся величественная пирамида жизни на планете Земля. Разумеется, патогенные (болезнетворные) бактерии способны доставить человеку массу неприятностей, но все же большая часть микробов приносит нам скорее пользу, чем вред.

Огромное количество различных микроорганизмов населяет почву. По некоторым оценкам, в одном грамме плодородного чернозема их содержится несколько миллиардов. На одном гектаре пахотной земли проживает около трех тонн микробов! А суммарная масса всех микробов нашей планеты примерно в 25 раз превышает массу всех животных.

Функции этих крох многообразны. Например, так называемые клубеньковые бактерии, или ризобии, селятся на корнях бобовых растений и специализируются на фиксации атмосферного азота, который растению жизненно необходим. Такое взаимовыгодное сотрудничество называется симбиозом. Растение снабжает клубеньковые бактерии питательными углеводами, а взамен получает азот, ценные витамины и некоторые вещества роста. Естественно, бобовые – не единственные растения, сумевшие «приручить» полезных азотфиксаторов, поскольку ботаникам известны по крайней мере шесть семейств высших цветковых растений, которые охотно прибегают к услугам одноклеточных накопителей азота. Правда, природа этих симбионтов пока окончательно не установлена.

Клубеньковые бактерии (ризобии) под микроскопом

Организмы животных – от членистоногих до человека – тоже основательно «нафаршированы» разнообразной микрофлорой. Пугаться этого не стоит, ибо в абсолютном большинстве случаев это не вторжение извне безжалостного врага, а взаимовыгодный симбиоз, обеспечивающий виду эволюционное преимущество.

Например, термиты способны запросто переваривать не только древесину, но и всякие другие малосъедобные вещи. Причем исключительно благодаря постоянным обитателям их задней кишки – жгутиконосцам, спирохетам и бактериям. Состав кишечной микрофлоры термита уникален и не встречается у насекомых других видов. Если «постояльцев» кишечника термита убить (такие опыты неоднократно проделывались), и посадить искалеченное насекомое на привычную диету из древесных опилок и фильтровальной бумаги, то оно довольно быстро погибнет.

Очевидно, что секрет пищеварения этих удивительных насекомых теснейшим образом связан с естественными обитателями их кишечника. Когда ученые догадались высадить одноклеточных симбионтов термита на питательную среду, то без труда сумели получить особый фермент, эффективно разлагающий целлюлозу.

А электронно-микроскопическое исследование кишечника термитов позволило обнаружить целый зоопарк, работающий в поте лица над перевариванием пищи. Главной фигурой кишечного симбиоза оказался жгутиконосец, облепленный со всех сторон колышущимися спирохетами и палочковидными бактериями, а внутри его тела удалось разглядеть еще какие-то мелкие бактерии. Дружные усилия этой компании позволяют термиту с легкостью переваривать самые невообразимые вещи.

В человеческом организме бактерий тоже хоть отбавляй. Подсчитано, что в одном кубическом сантиметре желудочного содержимого обитает примерно 25 тысяч бактерий, а в одном грамме содержимого толстого кишечника (попросту говоря, в каловых массах) их на несколько порядков больше – до 30–40 миллиардов. По мнению специалистов, одноклеточные организмы, населяющие полости и ткани человека, представлены более чем 250 видами различных микробов.

Разумеется, все это гигантское бактериальное сообщество – отнюдь не бесполезные нахлебники, а наши верные друзья, добросовестно и неутомимо синтезирующие аминокислоты, витамины и ферменты, жизненно необходимые для нашего повседневного существования. Они выполняют и важную барьерную функцию, противодействуя вторжению патогенных микроорганизмов – дизентерийных, брюшнотифозных, гнилостных и прочих. Более того, сбалансированная и разнообразная кишечная микрофлора – бесспорный показатель здоровья.

Микрофлора кишечника человека под микроскопом

К сожалению, мы часто относимся к нашим симбионтам без должного уважения. Едва ли нужно напоминать, что неумеренный прием антибиотиков по поводу и без повода, выкашивающий целые популяции полезных микроорганизмов, сплошь и рядом приводит к развитию тяжелого дисбактериоза, справиться с последствиями которого оказывается весьма и весьма непросто.

Бактерии, как мы помним, относятся к числу доядерных организмов – прокариот, ибо оформленного ядра у них нет. Их ДНК, которую принято называть нуклеоидом, или бактериальной хромосомой (хотя с хромосомами эукариотических клеток она не имеет ничего общего), представляет собой собранную в клубок двойную спираль, замкнутую в кольцо. Этот эквивалент клеточного ядра свободно плавает в цитоплазме, не имеет собственной мембраны и не содержит белков, хотя обычно зафиксирован на мембране бактериальной клетки. При этом гены внутри нуклеоида расположены в линейном порядке, как и в клетке эукариот, а сам нуклеоид в функциональном отношении полностью соответствует геному ядерной клетки. Кроме того, в клетках прокариот встречаются небольшие кольцеобразные фрагменты ДНК, никак не связанные с нуклеоидом, – так называемые плазмиды.

В бактериальных клетках нет органелл, типичных для эукариотических клеток, – ни хлоропластов, ни митохондрий, ни центриолей. А рибосомы (структуры, отвечающие за белковый синтез) свободно плавают в цитоплазме, поскольку аналог эндоплазматической сети в клетках прокариот отсутствует. Размножаются они тоже иначе – амитотически, путем простого бинарного (поперечного) деления. Сначала происходит удвоение нуклеоида, причем оно всегда начинается в точке прикрепления к цитоплазматической мембране, где локализован ферментативный аппарат, за нее отвечающий. Редупликация (удвоение) ДНК запускает механизм синтеза клеточной стенки, которая растет от периферии к центру. Образуется перетяжка, и бактерия делится пополам. Деление может осуществляться не только в одной, но и в нескольких плоскостях, и тогда возникают клеточные цепочки или скопления различной формы. Вариантом бинарного деления является почкование, когда на теле материнской клетки образуется увеличивающийся вырост. Достигнув величины материнской клетки, почка отшнуровывается. В среднем бактерии делятся каждые 20 минут.

Итак, бактерия гораздо примитивнее эукариотической клетки, но рядом с вирусом она – воплощение сложности, уникальная фабрика, нацеленная на бесперебойный выпуск сотен различных белков и ферментов. А вирус даже клеточного строения не имеет. Все, что у него есть, – это молекула нуклеиновой кислоты, упакованная в белковую оболочку. Но такая конструктивная простота имеет и отрицательную сторону: чтобы продолжить свой род, вирус должен просочиться в живую клетку и завладеть всеми ее ресурсами. Без посторонней помощи он размножаться не умеет. Вне клетки-хозяина вирус мертв и не обнаруживает никаких признаков жизнедеятельности. Вирусологи называют своих подопечных строгими (облигатными) паразитами, поскольку весь их жиз ненный цикл неотделим от клетки, в которую они стремятся проникнуть.

Вирусы гораздо мельче бактерий и вообще любых одноклеточных микроорганизмов – от грибов до простейших. Поэтому их величину измеряют не в микронах, то есть миллионных долях метра, а в нанометрах (нм) – миллиардных долях метра. Другими словами, нанометр в тысячу раз меньше микрона. Например, поперечник амебы составляет примерно 50 микрон, а размеры вируса полиомиелита находятся в пределах 27–29 нанометров, то есть «по росту» он меньше амебы почти в две тысячи раз. Понятно, что отношение объемов их тел выражается еще большей цифрой со многими нулями. Самые большие вирусы достигают величин вполне «бактериальных» – например, вирус оспы человека и животных вырастает до 300 нм.

Разнообразием форм вирусные частицы (вирионы) не отличаются: чаще всего они похожи на миниатюрные шарики с выростами на поверхности или без них, а вирусы растений часто напоминают вытянутый цилиндр. Скажем, длина цилиндра вируса табачной мозаики достигает 350 нм, но разглядеть его в оптический микроскоп все равно невозможно, поскольку толщина этого цилиндра не превышает 15 нм. Нить с практически нулевой поперечной размерностью увидеть, естественно, нельзя.

Вирусы под микроскопом

Однако ничтожные размеры большинства вирусов – далеко не самое удивительное. Гораздо интереснее тот факт, что они – единственные на Земле живые организмы, не имеющие клеточного строения. Вирус устроен настолько просто, что больше напоминает какой-то механизм, а не живое существо. В сердцевине вирусной частицы лежит нуклеиновая кислота, окруженная снаружи белковыми молекулами, которые образуют своего рода защитный чехол – капсид. Белки (или белок) оболочки вируса, как и любые другие белки, сотканы из аминокислот, уложенных в длинные цепочки. Капсид – не монолитная конструкция: он построен из отдельных субъединиц (капсомеров), которые состоят, в свою очередь, из одной или нескольких идентичных или разных полипептидных цепей. Генетический материал в центре вириона может быть представлен любой из нуклеиновых кислот – как ДНК, так и РНК, и по этому параметру вирусы подразделяются на ДНК-содержащие и РНК-содержащие.

Вирусы различаются между собой не только по размерам, форме и строению генома (вирусная ДНК или РНК есть не что иное, как геном), но и по уровню сложности своей структуры. Если наиболее мелкие и простые вирусы состоят из обособленной молекулы РНК и белка, то у крупных вирионов можно обнаружить многослойную «упаковку», в состав которой входят не только белковые молекулы, но углеводы и липиды.

Например, конструкция бактериофагов[12], по форме напоминающих головастика или гимнастическую булаву, включает в себя шаровидную головку, где помещается нуклеиновая кислота, и полый чехол в виде длинного хвоста, собранный из молекул белка. С помощью этого выроста бактериофаг прикрепляется к оболочке бактериальной клетки, прокалывает клеточную мембрану и впрыскивает, как через шприц, свою нуклеиновую кислоту в цитоплазму бактерии.

А вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), возбудитель СПИДа, представляет собой шарик диаметром 100 нм, поверхность которого утыкана многочисленными отростками, похожими на шляпки обойных гвоздей или головки шурупов. Это вирусный белок – гликопротеид, белково-углеводный комплекс (биологи обозначают его как gp 120), от которого зависит не только адсорбция (поглощение) вируса клеточной мембраной (а следовательно, начало инфекционного процесса), но и необычайная изменчивость вируса. Гликопротеидные «гвозди» пронизывают оболочку вируса и образуют под ней сложное переплетение, своего рода вироскелет, который сохраняет форму вириона и удерживает в определенном положении вирусную «начинку» – геном вируса.

Вирус иммунодефицита человека под микроскопом

Итак, даже относительно крупные и сложно организованные вирусы несопоставимо примитивнее любой клетки и гораздо меньше ее по размерам. Но тогда немедленно возникает вопрос: почему живая клетка, это воплощение гибкости и неприхотливости, замечательно умеющая выживать в горячих водах термальных источников и на арктическом льду, уникальная миниатюрная фабрика по бесперебойному синтезу белков и ферментов, так легко сдается на милость победителя? Почему она не в силах успешно противостоять столь незначительному врагу, которого и живым-то назвать можно с очень большой натяжкой? Чтобы разрешить этот парадокс, необходимо как следует разобраться в механизме репродукции убийц-невидимок.

На заре вирусологии ученые договорились считать, что вирусы – просто очень маленькие бактерии, размножающиеся вполне традиционно, посредством элементарного поперечного деления, когда из одной клетки образуются две, из них – четыре, и т. д. Наибольшая скорость деления, доступная бактериальным клеткам, исчисляется тремя удвоениями в час, и если бы вирус вел себя аналогично, то его потомство за три часа последовательных удвоений составило бы не более тысячи вирионов.

Но когда ученые сумели наконец вычислить истинный темп накопления вирионов в клетке, от стандартной модели не осталось и следа. Опыты с бактериофагами показали, что вирионы размножаются в 100 тысяч раз быстрее бактерий, давая уже через три часа потомство в 100 миллионов вирусных частиц. Стало ясно, что механизм репродукции вирусов не имеет ничего общего с «пополамным» делением бактерий.

Д. И. Ивановский

Ученым пришлось вплотную заняться изучением жизненного цикла вирусов. Выяснилось, что на стадии вириона (или вироспоры), то есть до проникновения в клетку, вирус не обнаруживает никаких признаков жизнедеятельности. В связи с этим в науке до сих пор нет единого мнения о том, можно ли вирусы на этой стадии считать живыми. Более того, некоторые вирусы способны к кристаллизации (например, кристаллы вируса табачной мозаики впервые обнаружил еще Д. И. Ивановский), но стоит им только проникнуть в клетку, как они немедленно «оживают».

Таким образом, вирусы представляют собой «переходный этап» между миром живых организмов и миром мертвой органики, а вироспора – лишь одна из форм существования вируса.

После соприкосновения с клеткой в жизненном цикле вирусов можно выделить следующие несколько фаз: фаза адсорбции (прикрепления вируса к клетке), фаза внедрения, латентная фаза, фаза образования нового поколения вирусов, фаза выхода вироспор.

Процесс начинается с избирательной адсорбции вируса на особых рецепторах, расположенных на поверхности клетки. При этом одни вирусы, имеющие в своем арсенале специальный фермент проникновения (наподобие нейраминидазы у вируса гриппа), активно внедряются внутрь, растворяя клеточную стенку мишени, а другие ведут себя пассивно и не торопят события: клетка проглотит их сама, приняв за вкусную и здоровую пищу.

Оказавшись внутри, вирус перестает существовать – это как раз и есть латентная фаза. Он истаивает, как призрак, бесследно исчезает в буквальном смысле этого слова, и отныне уже никакими самыми чувствительными методами в клетке не удается обнаружить ни цельной вирусной частицы, ни отдельных ее компонентов. Эта фаза его жизненного цикла настолько необычна, что даже получила особое название – эклипс (от греч. ekleipsis – «исчезновение, затмение»). Кажущееся исчезновение вируса объясняется просто: просочившись в клетку, вирион сбрасывает толстую белковую оболочку и освобождает свою нуклеиновую кислоту. Весьма примечательно, что процедуру «разоблачения» осуществляет сама клетка – с помощью набора ферментов, которые атакуют вирусную частицу с целью лизировать (растворить) и скушать питательный белок. По окончании «трапезы» клетка встречается лицом к лицу с вирусной нуклеиновой кислотой, и это определяет всю последовательность дальнейших событий.

Когда вирус проникает в клетку, великолепно отлаженная схема белкового синтеза немедленно дает сбой, поскольку все процессы внутриклеточного обмена ставятся под неусыпный контроль вирусной нуклеиновой кислоты. Вместо того чтобы синтезировать белки, необходимые для собственной нормальной жизнедеятельности, клетка начинает усердно тиражировать вирусные частицы. Все ресурсы, имеющиеся в наличии, пускаются на бессмысленное производство сотен тысяч вирионов, и клетка, по сути дела, превращается в автоматическую фабрику по сборке своих убийц, так как многочисленное потомство внедрившегося вируса, стремясь выйти наружу, расплавляет клеточную стенку.

1

От греч. homos – подобный, одинаковый; heteros – другой, разный. Зигота – это оплодотворенное яйцо, возникшее в результате слияния мужской и женской половых клеток, то есть будущий зародыш.

2

Соматическая клетка – клетка с двойным набором генов; соматическими являются все клетки организма за исключением половых.

3

Локус (от лат. locus – место) – участок, занимаемый одним геном в хромосоме.

4

Единственным исключением являются вирусы, не имеющие клеточного строения, но о них разговор впереди.

5

В наши дни гелеподобное содержимое клетки называют цитоплазмой (от греч. kytos – «клетка»).

6

Осмос – диффузия (просачивание) растворителя через полупроницаемую мембрану. Обусловлен стремлением системы к термодинамическому равновесию и выравниванию концентраций раствора по обе стороны мембраны.

7

В основе расщепления и удвоения хромосом лежит редупликация (удвоение) молекулы ДНК (хромосомы, как мы помним, построены из белков особого типа и дезоксирибонуклеиновой кислоты – ДНК). Этот процесс будет рассмотрен в следующей главе.

8

Инсулинзависимый сахарный диабет, требующий регулярных инъекций, и диабет инсулиннезависимый, протекающий гораздо легче.

9

C. elegans стал в последние годы излюбленным объектом нейробиологов, потому что его нервная система состоит ровно из 302 клеток. Геронтологи тоже не остаются в стороне: прозрачное тело этого круглого червя позволяет наблюдать деление, миграцию и созревание каждой его клетки, а продолжительность жизни C. elegans составляет всего лишь около трех суток. Так что на сегодняшний день он является одним из самых изученных животных планеты.

10

Пандемия – масштабная эпидемия, охватывающая целые страны и континенты.

11

В микробиологии есть даже специальный термин – убиквитарность (от лат. ubique – «повсюду»), который в переводе на общепонятный язык как раз и означает повсеместное распространение.

12

Бактериофаги (в буквальном переводе «пожиратели бактерий») – группа вирусов, поражающих сальмонеллы и ряд других кишечных бактерий.