Текст книги "Генетика на пальцах"

Мы уже второй раз упомянули транспозоны. Надо бы познакомиться с ними поближе, чтобы понимать, о чем идет речь.

Транспозонами называются участки молекул ДНК, способные к передвижению и размножению в пределах генома[32]32
    Передвижение по-научному называется «транспозицией», отсюда и произошло название «транспозоны».


[Закрыть]. Транспозоны также известны под названием «прыгающие гены», потому что они словно бы перепрыгивают с одного места в молекуле ДНК на другое или с одной молекулы ДНК на другую. Обратите внимание на слова «в пределах генома». Транспозоны не могут отправляться в «свободное плавание» по цитоплазме. Они могут только лишь менять одно место в молекуле ДНК на другое, не более того. Большинство транспозонов относятся к некодирующей части генома (той самой, которую называют «мусорной ДНК»).

Транспозоны подразделяются на ДНК-транспозоны и ретротранспозоны. ДНК-транспозоны действуют по принципу «вырезать и вставить». С помощью фермента транспозазы ДНК-транспозоны вырезают себя из одного места и вставляют в другое. Ретротранспозоны не покидают своего места. У них другой принцип – «копировать и вставить». С помощью РНК-матрицы создается копия ретротранспозона, которая затем вставляется в другое место. Ретротранспозоны и их производные составляют как минимум 45 % генома человека! А вот ДНК-транспозоны у человека неактивны.

Когда-то транспозоны рассматривали как бесполезный генетический мусор, но со временем было установлено эволюционное значение транспозонов. Расшифровка генома человека показала, что многие гены представляют собой производные транспозонов. Также транспозоны могут влиять на находящиеся рядом гены, включая и выключая считывание информации с них, изменяя их структуру и т. п. Если предельно упростить, то можно сказать, что транспозоны делают генетический материал более разнообразным. Разумеется, транспозоны могут приносить как пользу, так и вред. Так, например, некоторые транспозоны подозреваются в способности вызывать болезни. Но в целом пользы от генетического разнообразия всегда бывает больше, чем вреда.

Кстати говоря, геномы вирусов транспозонов практически не имеют. Вирусы, как вы уже знаете, представляют собой наследственный материал, упакованный в защитную оболочку. Если вирусная ДНК чрезмерно разрастется, могут возникнуть трудности с ее транспортировкой и внедрением в клетку.

Клетки могут убирать ненужные транспозоны при помощи ДНК-сплайсинга. Мы уже ознакомились с альтернативным сплайсингом, очищающим от ненужного балласта РНК-матрицы, но точно так же можно вырезать участки и из молекул ДНК с последующим сшиванием концов.

Мутации происходят не только под действием мутагенных факторов, но и «сами по себе», без какого-либо действия извне. Разумеется, при действии мутагенов частота возникновения мутаций возрастает. Иначе говоря, мутагены значительно увеличивают количество мутаций, но нельзя говорить, что мутагены запускают процесс образования мутаций, поскольку он идет и без их участия.

Не так давно ученым удалось выяснить, что большинство мутагенов взаимодействует со строго определенными фрагментами молекулы ДНК. Более того, в ряде случаев удалось установить конкретное азотистое основание, на которое действует конкретный мутаген – аденин, тимин, гуанин или цитозин. Сегодня с уверенностью можно сказать, что недалек тот день, когда генетики смогут вызывать строго направленные, «прицельные» мутации, которые позволят вносить заранее спланированное изменение в конкретный фрагмент ДНК. Но пока еще до этого дело не дошло.

Важно понимать, что мутации представляют собой материал естественного отбора, но не способ приспособления к условиям окружающей среды.

Материал, но не способ приспособления!

Почему?

Потому что между мутациями и приспособлениями к условиям среды нет прямой и четкой связи. Часть признаков, полученных организмами в результате мутаций, может повышать их приспособительную способность, другая часть может эту способность понижать, а третья вообще никак не будет на нее влиять. К тому же мутации происходят спонтанно, хаотично и без какой-то конкретной цели. Ни у растительных, ни у животных организмов нет механизма, целенаправленно вызывающего полезные мутации. В процессе естественного отбора происходит отбраковка вредных признаков и закрепление полезных. Образно говоря, природа сдает карты не глядя, а в процессе естественного отбора из этих карт выбираются козыри.

То, что мутации не возникают целенаправленно как приспособительная реакция, было доказано еще в сороковых годах прошлого века, в ходе простого, но весьма убедительного эксперимента.

Культуру бактериальных клеток (а именно – кишечной палочки) распределили мелкими порциями по сотне пробирок, выдержали некоторое время в одинаковых благоприятных для размножения условиях, а затем подвергли воздействию одного и того же антибиотика и сразу же пересчитали выживших бактерий в каждой из пробирок.

Создали большое количество популяций-пробирок → обеспечили всем популяциям сходные условия → дали бактериям возможность размножиться → воздействовали на все популяции неблагоприятным фактором → оценили результат.

Количество выживших бактерий повсюду оказалось разным, причем разница эта была существенной, из чего можно было сделать вывод о том, что устойчивость к антибиотику приобретена бактериями в случайном порядке до его применения, а не возникла как реакция на его действие. Если бы устойчивость была бы следствием действия антибиотика и стала бы целенаправленно вырабатываться бактериями после начала воздействия, то количество выживших бактерий было бы примерно одинаковым во всех пробирках, потому что один и тот же фактор в одинаковых дозах оказывает одинаковое действие на одинаковые организмы, находящиеся в одинаковых условиях. Одинаковое одинаково.

Давайте в завершение немного поговорим о цитоплазматических мутациях – изменениях молекул ДНК митохондрий и хлоропластов. Выше уже было сказано, что эти мутации могут передаваться только по материнской линии, поскольку передаются они с цитоплазмой, которую содержит яйцеклетка. В сперматозоиде цитоплазмы очень мало, да вдобавок митохондрии у него находятся в шейке, которая в яйцеклетку не проникает.

Цитоплазматические мутации схожи с генными – они устойчивы и передаются по наследству. Цитоплазматические мутации у человека могут быть причинами некоторых заболеваний. Надо учитывать, что каждая яйцеклетка содержит огромное количество митохондрий. Если мутация произошла только в одной митохондрии, а ДНК всех остальных осталась неизмененной, то мутация никак не проявится в фенотипе.

В клетке есть механизм равномерного распределения хромосом при делении, но нет механизма равномерного распределения органелл. Митохондрии с пластидами распределяются при делении клетки не строго поровну, а как бы «на глазок» и без какого-либо учета мутировавшей и немутировавшей ДНК. Так что при делении вся мутировавшая ДНК может оказаться только в одной из дочерних клеток и пропадет напрасно, потому что оплодотворенной окажется другая яйцеклетка.

Немного статистики. В соматических клетках млекопитающих содержится более тысячи молекул митохондриальной ДНК. Молекулы митохондриальной ДНК человека относительно невелики и содержат «всего-навсего» тридцать семь генов, а общее количество пар нуклеотидов в них составляет около шестнадцати с половиной тысяч. Тринадцать наших митохондриальных генов кодируют белки, служащие ферментами для проходящих в митохондриях реакций окислительного фосфорилирования[33]33
  *  В результате реакций окислительного фосфорилирования энергия, выделившаяся при окислении питательных веществ, запасается в митохондриях в виде АТФ.


[Закрыть], а остальные гены кодируют различные РНК.

Обратите внимание на то, что заболевания, связанные с цитоплазматическими мутациями, например, митохондриальный сахарный диабет, передаются по женской линии, но проявляются как у женщин, так и у мужчин. Разница лишь в том, что мужчина, страдающий митохондриальным сахарным диабетом или каким-то иным заболеванием митохондриального происхождения, не передаст эту болезнь потомству, а женщина может передать[34]34
    Из этого правила существуют исключения, правда, крайне редкие. Иногда небольшое количество отцовских митохондрий может попасть в яйцеклетку матери вместе с цитоплазмой, окружающей ядро сперматозоида, и закрепиться там.


[Закрыть].

Наиболее распространенным видом мутации в митохондриальных ДНК является делеция – потеря участка хромосомы. Все мутации в митохондриальных ДНК понижают главную функцию митохондрий – производство энергии для клетки. В результате при этих мутациях в первую очередь страдают наиболее энергозависимые органы: головной мозг, сердце и скелетная мускулатура[35]35
    С сердцем и скелетной мускулатурой все ясно – энергия нужна для сокращений мышечных клеток, а вот высокая энергозависимость головного мозга может вызывать недоумение. На самом деле на долю нашего головного мозга приходится примерно четверть всей энергии, потребляемой организмом.


[Закрыть].

Поскольку митохондрии и, соответственно, митохондриальную ДНК ребенок получает только от матери, эта ДНК является идеальным объектом для генетической оценки родственных связей по материнской линии. Так, например, исследование митохондриальной ДНК помогло точно идентифицировать останки последнего российского императора Николая Второго и членов его семьи.

ОТВЕТ НА ВОПРОС. При размножении почкованием, при вегетативном размножении и прочих видах бесполого размножения мутации, возникшие в соматических клетках, могут передаваться дочернему организму. Говоря о том, что мутации, возникшие в соматических клетках, по наследству не передаются, нужно уточнять, что речь идет об организмах, размножающихся половым путем.

Глава 7
Горизонтальный перенос генов

Явление, о котором сейчас пойдет речь, настолько необычно и, можно сказать, провокационно, что заслуживает отдельной главы, пусть и небольшой по объему.

Вы заинтригованы?

Читайте дальше!

Только сначала вспомните то, что вы узнали из прошлой главы о транспозонах, генах, прыгающих с места на место. Они имеют непосредственное отношение к теме нашего разговора.

Так называемый вертикальный перенос генов от родителей к детям ясен и не вызывает никаких вопросов. Кому же еще передавать наследственный материал, как не потомству? Но возможен ли, по-вашему, иной, горизонтальный, путь переноса генов, при котором они передаются не потомкам, а чужакам, целенаправленно или случайно оказавшимся рядом.

Вы удивлены?

Читайте дальше!

Только не думайте, что вам собираются рассказывать сказки. Книга, которую вы сейчас читаете, сугубо научная и не содержит ничего фантастического или сказочного. Помимо вертикального переноса генов существует и горизонтальный перенос, который довольно широко распространен среди прокариот, в частности – среди бактерий. Почему среди прокариот? Да потому что генетический материал эукариот, хранящийся в клеточном ядре, с одной стороны лучше защищен от потерь, а с другой – более труднодоступен, чем плавающие в цитоплазме молекулы ДНК бактерий.

В далеком 1928 году британский врач Фредерик Гриффит поставил эксперимент, доказывающий, что бактерии способны поглощать молекулы ДНК из внешней среды. Этот процесс у генетиков называется трансформацией.

Гриффит заражал мышей двумя разновидностями пневмококков (бактерий, вызывавших пневмонию), одни из которых (тип 1) были способны вызывать заболевание, а другие (тип 2) такой способностью не обладали. В то время такую разницу в воздействии пневмококков на организм объясняли наличием у бактерий первого типа защитной капсулы, которая делала бактерии недоступными для иммунной системы организма-хозяина, в данном случае – мышей. Бактерии второго типа защитной капсулы не имели и потому, как считалось, быстро подавлялись иммунной системой, не имея возможности вызывать заболевание.

Гриффит не собирался доказывать наличие горизонтального переноса генов, о котором он не имел никакого понятия. Его целью было создание эффективной вакцины от пневмонии. Но в науке часто бывает так, что сделать хотят грозу, а получают козу. Смешивая убитые нагреванием пневмококки первого типа с условно-безопасными живыми пневмококками второго типа, Гриффит получил не просто заразную, а прямо-таки убийственную разновидность бактерий, которая вызывала у мышей пневмонию со смертельным исходом.

Как вредные мертвецы могли повлиять на безвредных живых, причем так, что вредность их превзошла все границы? Вывод напрашивался сам собой – живые пневмококки второго типа получили от мертвых пневмококков первого типа какое-то супероружие. Ну мы-то с вами понимаем, что живые бактерии получили от мертвых молекулы ДНК, кодирующие образование защитной оболочки (нагревание убило бактерии, но не уничтожило их ДНК). Сами по себе пневмококки второго типа были гораздо более патогенными, то есть вредоносными. Но они не имели возможности «показать себя во всей красе», то есть вызвать заболевание, поскольку мышиная иммунная система уничтожала их сразу же после попадания в организм мыши. А любому болезнетворному микроорганизму для того, чтобы вызвать заболевание, нужно размножиться в организме-хозяине до определенных пределов. Один в поле не воин – это про микроорганизмы. Защитная капсула позволила пневмококкам второго типа проявить свои болезнетворные свойства в полной мере.

Клеточное ядро имеет оболочку, через которую транспозонам эукариотических клеток проникать довольно затруднительно. А у прокариот нет ни ядра, ни оболочки, поэтому их транспозонам гораздо легче «уйти на сторону», то есть покинуть «родную» бактерию и проникнуть в другую. А еще перенос генов из одной клетки в другую могут осуществлять вирусы. Проникнув в клетку, они могут захватить часть клеточной ДНК и передать ее следующей своей жертве. Обычно пораженные вирусом клетки гибнут от истощения, вызванного «тиражированием» вируса за счет клеточных ресурсов, но некоторые клетки могут выжить, сохранив при этом гены, занесенные вирусом извне (мы сейчас все предельно упрощаем, чтобы не путаться во множестве терминов, понятных лишь генетикам высшего дана, но в целом суть остается той же). Процесс переноса ДНК между клетками при помощи вирусов называется трансдукцией. Трансдукция – один из основных методов генной инженерии. Словосочетание «векторная вакцина» всем знакомо? Вектором в генетике называется вирус, доставляющий в клетку генетический материал или какой-то белок.

Бактерии способны обмениваться молекулами ДНК не только путем трансформации, то есть захвата свободных молекул из внешней среды, но и путем конъюгации – переноса молекул ДНК при непосредственном контакте. Две бактерии сближаются и объединяют свои внутренние среды при помощи белковых трубочек, по которым осуществляется перенос молекул ДНК.

Среди бактерий встречаются внутриклеточные паразиты, которые поселяются в других клетках. Между таким паразитом и хозяином может происходить обмен наследственной информацией, как в случае гибели паразита и разрушения его оболочки, так и при его жизни, ведь небольшие молекулы ДНК и, тем более, их «прыгающие» фрагменты способны проникать через клеточные мембраны.

Существует гипотеза (кстати говоря, выглядящая весьма достоверной), согласно которой способность захватывать молекулы ДНК из внешней среды активизируется у бактерий в неблагоприятных условиях, например, при резком изменении температуры окружающей среды или же при нехватке пищи. Утопающий за соломинку хватается, говорят в народе. Чужая ДНК служит бактериям «соломинкой»: вдруг удастся получить свойство, которое поможет выжить? Если пойти немного дальше, то можно предположить, что конечной целью конкурентной борьбы между бактериями является не только вытеснение соперника из общей экологической ниши, но и получение его ДНК. А что? Вполне возможно. Жаль только, что у бактерий спросить нельзя.

Если горизонтально перенесенный ген приносит новый признак, то в этом случае все ясно и никаких вопросов не возникает. А что бывает в тех случаях, когда горизонтально перенесенный ген гомологичен уже имеющемуся у организма? В этом случае произойдет замещение одного гена другим, или же приобретенный ген останется «про запас», будет присутствовать в геноме в неактивном виде. Мало ли что может случиться с действующим, функционально активным геном? Вдруг его «испортит» какая-то мутация… Хорошо, когда под рукой есть запасной ген.

Вот вам вопрос на сообразительность: может ли горизонтальный перенос генов, полезный для отдельного организма, оказаться вредным (невыгодным) для биологического вида в целом? Ответ вы найдете в конце главы.

Сравнение геномов различных биологических видов выявило много сходства там, где его, казалось, быть не должно, то есть у организмов, находящихся на совершенно разных «дорогах» эволюции[36]36
    Подобно тому, как у каждого человека есть свои индивидуальные отпечатки пальцев, для каждого генома характерны определенные комбинации нуклеотидов, которые повторяются с определенной частотой. Наличие фрагментов с нехарактерными комбинациями свидетельствует о имевшем место в прошлом горизонтальном переносе генов. Местоположение гена также может быть характерным (условно-естественным) или нехарактерным, свидетельствующим о горизонтальном переносе. Короче говоря, все познается в сравнении.


[Закрыть]. Вывод о том, что горизонтальный перенос генов является одним из главных механизмов видообразования, напрашивается сам собой. А в незапамятные времена, когда еще не существовало многоклеточных эукариот, горизонтальный перенос генов был не одним из главных, а основным механизмом видообразования. Чем не угодили переносу многоклеточные эукариоты? Это перенос им не угодил. По мере усложнения строения организма его генетический аппарат также усложняется и становится все более защищенным от «несанкционированного» внедрения чужих генов.

Горизонтальный перенос генов может происходить не только от «простых» прокариот к «сложным» эукариотам, но и в обратном направлении. Для этого требуется тесный физический контакт, который имеет место при паразитизме или симбиозе, и векторный переносчик какого-нибудь вируса. Доказательством такого переноса служит наличие эукариотических генов в геномах внутриклеточных паразитов риккетсий и хламидий. Вот интересный пример того, как может использоваться чужой генетический материал. В числе прочих «подарков», которых в целом более двух десятков, хламидии получили от эукариот гены белков, осуществляющих транспортировку молекул аденозинтрифосфата (АТФ) и аденозиндифосфата (АДФ) – аккумуляторов клеточной энергии. Самим хламидиям для внутреннего, так сказать, употребления такие белки не нужны, но бактерии сумели найти им применение. С помощью транспортных белков они начали забирать молекулы АТФ и АДФ у клетки-хозяина, экономя таким образом собственные энергетические ресурсы. Раньше коварные хламидии крали у своего хозяина только питательные вещества, а затем начали красть и энергию. Как говорится, нашему вору все впору.

Предупреждение: из всего сказанного не следует, что генетический материал съеденных нами продуктов питания способен встраиваться в наш геном. Ешьте вашу пищу спокойно, а мы еще вернемся к этому вопросу позднее, когда станем говорить о том, вредны ли продукты питания, полученные из генетически модифицированных организмов? (Этому актуальному вопросу будет посвящена отдельная глава).

ОТВЕТ НА ВОПРОС. Может! В результате получения нового гена (или новых генов) может образоваться новая, более приспособленная популяция, которая со временем вытеснит свой прежний биологический вид из его экологической ниши и даст начало новому виду.

Глава 8
Методы генетического анализа

При помощи генетического анализа ученые изучают наследственность.

Прежде чем переходить к теме, необходимо сделать одно уточнение.

На бытовом уровне термином «генетический анализ» обозначают анализ крови, позволяющий определить отцовство или же подтверждающий наличие каких-то генетических отклонений у данного человека. В целом термин используется по назначению, поскольку анализом называется метод исследования, для которого характерно выделение и изучение отдельных частей объектов исследования. Взяли кровь, отделили плазму от форменных элементов, то есть, грубо говоря, отделили жидкость от «сухого остатка», определили наличие конкретных веществ…

Но кроме генетических исследований крови и прочего биологического материала (волос, слюны и т. д.) существует также научный генетический анализ, представляющий собой исследование генотипа отдельных особей, групп особей и генетической структуры популяций.

При чем тут анализ как таковой? А при том, что генетический анализ представляет собой разложение совокупности признаков организма на отдельные признаки и изучение соответствующих им генов.

Главным и древнейшим методом генетического анализа, появившимся за многие тысячи лет до рождения науки генетики, является скрещивание, тайнам которого будет посвящена отдельная глава. Пока что мы с вами ограничимся только представлением о скрещивании как методе анализа.

Прежде всего определяется признак, который нужно изучить в ходе скрещивания, и выясняется, наследуется ли этот признак вообще. Затем проводится одно или несколько скрещиваний с целью получения данного признака в потомстве, то есть для подтверждения его наследуемости. Если серия скрещиваний не проявила признак в потомстве, то это означает, что он по наследству не передается, и на этом его изучение с генетической точки зрения надо заканчивать.

На втором этапе нужно выяснить число генов, контролирующих проявление данного признака, и установить, как эти гены взаимодействуют между собой. Проще говоря, узнать, какой из парных генов подавляет своего аллельного собрата, и уточнить еще несколько нюансов.

На третьем этапе нужно определить группу сцепления для изучаемого гена. Группа сцепления – это группа генов, находящихся в одной хромосоме и наследующихся совместно, сцепленной группой. Соответственно, так же сцепленно наследуются и признаки, контролируемые данными генами.

Вот вам очередной вопрос на сообразительность: сколько групп сцепления у человека? Ответ вы найдете в конце главы.

Предупреждение: этот вопрос только кажется сложным, а на самом деле он простой, нужно только направить мышление в правильном направлении.

На четвертом этапе изучения производится так называемое картирование гена, о котором будет рассказано в девятнадцатой главе: создается генетическая карта, на которой отображается взаимное расположение генов в хромосоме. Первым организмом, для которого была получена генетическая карта, стала плодовая муха, чернобрюхая дрозофила, которая наиболее часто используется в генетических экспериментах. Такую «привилегию» дрозофила получила из-за быстрых темпов своего размножения: от откладки самкой яйца до выхода взрослой мухи из куколки в среднем проходит всего десять дней.

Для общего представления – вот как выглядит генетическая карта дрозофилы чернобрюхой

В 2003 году была получена целостная картина человеческого генома. Со временем наука дойдет до создания генетических карт каждого человека еще на стадии его внутриутробного развития. Такая индивидуальная генетическая карта будет очень полезной с медицинской точки зрения, ведь корни всех заболеваний кроются в генах. И не только с медицинской, поскольку гены определяют все развитие организма в целом.

Скрещивание – дело долгое. Скрестили – ждите потомства. Оценили результат – скрестили снова, и снова ждите потомства… Генеалогический метод генетического анализа дает результат гораздо быстрее. В сравнении со скрещиванием можно сказать, что практически мгновенно. Но этот замечательный метод может применяться лишь в том случае, когда известны прямые родственники обладателя наследственного признака. Как предки, так и потомки по материнской и отцовской линиям, причем в нескольких поколениях. Проще говоря, суть генеалогического метода заключается в составлении родословной и ее анализе. Этот метод используется для изучения генов медленно размножающихся организмов, а также для изучения генов человека, у которого аналитическое скрещивание использовать невозможно по этическим соображениям.

Именно при помощи генеалогического метода было доказано, что при родственных браках значительно возрастает вероятность появления в потомстве различных уродств и болезней. Причины этого явления мы рассмотрим ниже, а пока что в качестве примера неблагоприятности родственных браков для потомства можно ознакомиться со схемой наследования гемофилии в правящих домах Европы. Источником гена, вызывающего развитие этого заболевания у мужчин, стала британская королева Виктория.

Схема наследования гемофилии в правящих домах Европы

Наследственная предрасположенность человека к ряду заболеваний (сахарному диабету, шизофрении, эпилепсии и др.) была выявлена благодаря близнецовому методу генетического анализа, суть которого заключается в сопоставлении особенностей членов близнецовой пары, позволяющем определить степень влияния наследственных факторов и среды на формирование признаков организма.

Не очень понятно?

Тогда скажем проще: наблюдая за однояйцевыми близнецами, имеющими одинаковые генотипы, ученые делали выводы о том, что в большей степени влияет на развитие данного конкретного признака – наследственный фактор или факторы внешней среды.

Например, один близнец всю жизнь прожил в Лондоне, работая страховым агентом, то есть был типичным горожанином-клерком, живущим в умеренном климате. Другой близнец в шестнадцатилетнем возрасте поступил матросом на торговое судно, а после осел в Южной Африке, в Йоханнесбурге, где зарабатывал на жизнь переноской грузов, то есть человек физического труда, живущий в субтропическом климате.

Помимо климата между средой Лондона и средой Йоханнесбурга существует еще множество различий. А еще добавьте к этому разные профессии и, как следствие, разные образы жизни, разные привычки и т. д. Сами посудите, много ли будет общего между лондонским клерком и йоханнесбургским грузчиком? Но, несмотря на это, у обоих братьев в зрелом возрасте (примерно в одном и том же) был диагностирован сахарный диабет. Собрав и проанализировав определенное количество подобных случаев, ученые пришли к выводу о том, что предрасположенность к сахарному диабету имеет наследственный характер.

Цитогенетический[37]37
    Слово «цитос» на греческом означает «клетка». Наука цитология и ее производные занимаются изучением живой клетки.


[Закрыть] метод представляет собой изучение хромосом при помощи микроскопа.

Биохимический метод генетического анализа позволяет выявить наследственно обусловленные нарушения обмена веществ. Если вдуматься, то любой «сбой» в генах в той или иной степени нарушает обмен веществ в организме, поскольку вместо нормальных белков начинают синтезироваться какие-то другие, с измененными свойствами. Поэтому перспективы у биохимического метода просто невероятные и безграничные.

Весьма интересен не так давно внедренный метод гибридизации нуклеиновых кислот, суть которого заключается в сборке молекул ДНК из двух отдельных цепочек или соединение одной цепочки ДНК с молекулой РНК вне живого организма, то есть «в пробирке». Для того, чтобы две состоящие из нуклеотидов цепочки соединились в одну молекулу ДНК, или же для соединения одной цепочки ДНК с молекулой РНК необходима комплементарность соединяемых элементов. Давайте вспомним, что в двух цепочках, составляющих молекулу ДНК, напротив азотистого основания тимина (Т) в другой цепочке должен обязательно находиться аденин (А), а напротив гуанина (Г) – цитозин (Ц). При синтезе матричных РНК на матрице цепочки ДНК вместо тимина, которого в молекулах РНК не бывает, аденин будет соседствовать с урацилом (У).

Допустим, у вас есть эталонная ДНК, с которой вы хотите сравнить другую ДНК для того, чтобы оценить степень сходства между ними (степень комплементарности), или же вам нужно сравнить с эталонной ДНК какую-то РНК-матрицу. Для того чтобы получить ответ на интересующий вас вопрос, вы должны действовать следующим образом (мы станем рассматривать сравнение двух молекул ДНК).

Этап первый. Исследуемую и эталонную ДНК по отдельности подвергают нагреванию в специальном растворе. При нагревании водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями разрушаются, двойные цепочки распадаются на одинарные. Такая «распавшаяся» молекула ДНК, утратившая свою природную конфигурацию, называется денатурированной[38]38
    В широком смысле денатурацией (утратой природных свойств) называют изменение пространственной структуры не только молекул ДНК, но и молекул белков. Выраженная денатурация приводит к утрате естественных свойств. До определенных пределов денатурация может быть обратимой, что мы видим на примере молекулы ДНК, способной распадаться на две цепочки и снова становиться «двойной» без утраты присущих ей свойств.


[Закрыть].

Препараты двух денатурированных ДНК смешивают друг с другом и медленно охлаждают до исходной температуры. При этом одинарные цепочки ДНК соединяются друг с другом благодаря образованию водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями. Процесс соединения двух одинарных цепочек по-научному называется гибридизацией. По скорости соединения цепочек исследуемой и эталонной ДНК, а также по степени их соединения, можно судить об их сходстве. То же самое можно сказать и о соединении эталонной ДНК с исследуемой РНК. Суть едина, а разница заключается лишь в том, что исследуемые молекулы РНК не требуется предварительно денатурировать, поскольку они изначально являются одинарными.

Гибридизация нуклеиновых кислот

Посмотрите на рисунок. Гибрид ДНК – ДНК далек от совершенства. Наряду со «спирализованными», то есть полностью совпавшими участками, в нем присутствуют большие «неспирализованные» (несовпадающие) участки. Следовательно, ДНК номер один и ДНК номер два мало схожи между собой. А вот гибрид ДНК – РНК представляет собой полное и абсолютное совершенство, что свидетельствует об идентичности обеих нуклеиновых кислот.

Гибридизация нуклеиновых кислот – безошибочный метод. Молекулы ДНК разных организмов никогда не могут совпасть полностью.

Теперь вы знаете, что именно делают криминалисты в кино (и в жизни тоже), когда им вручают фрагмент ковролина с пятнами крови и просят дать заключение, кто из трех подозреваемых оставил свою кровь на полу. Нужно взять у подозреваемых по капле слюны (по волосу, по капле крови), выделить из полученных образцов ДНК и провести три исследования.

Помимо гибридизации нуклеиновых кислот у генетиков-аналитиков существует еще один «гибридный» метод – метод гибридизации соматических клеток.

Поскольку соматические (неполовые) клетки содержат весь объем генетической информации, с их участием можно проводить различные эксперименты, которые невозможно, или же очень сложно, или же этически неприемлемо проводить на целом организме.

После внедрения в генетику методов исследований с участием соматических клеток человек стал одним из главных экспериментальных объектов, с его клетками (а не с ним самим) можно делать все, что захочется. Если для эксперимента нужно большое количество клеток, например, много-много лимфоцитов крови, то их выращивают искусственным образом, вне организма из тех, которые содержатся в одной капле взятой крови. Каплю крови для эксперимента получить несложно, это же не три литра. А выращивать клетки вне организма ученые давно научились.

«Стоп! – воскликнут сейчас наиболее вдумчивые и хорошо разбирающиеся в медицинских проблемах читатели. – Тут или ошибка автора, или же автор только что случайно выдал нам одну из главных тайн современности! Если ученые давно научились выращивать клетки вне организма, то почему существуют такие большие проблемы с поиском донорских органов для трансплантации? Некоторые люди годами (без какого-либо преувеличения!) могут ждать подходящий им орган. Да еще и не факт, что вообще дождутся его… А после пересадки возникает проблема отторжения, организм отвергает пересаженный орган как чужеродный, и пациенту до конца дней своих приходится принимать препараты, подавляющие иммунную систему, ведь именно она борется со всем чужеродным. Так почему бы не избавить людей от лишних страданий? Почему бы не выращивать печень, почку или сердце из клеток пациента и ему же пересаживать? Так же проще, лучше и быстрее… В чем дело? Методика выращивания клеток засекречена? Или же существует мировой заговор трансплантологов?»