Текст книги "Тайная жизнь тела. Клетка и ее скрытые возможности"

Глава 3. Наследственность, или Бессмертный ген

Британский биолог Ричард Докинз однажды решил проследить судьбу отдельно взятого гена и пришел к выводу, что он – бессмертен! Каждый раз, делясь и восстанавливаясь в новой клетке, ген, практически без изменений, путешествует из одного организма в другой, продолжаясь в каждом поколении. Докинз даже предположил, что не сами люди, а их гены правят миром, а каждый конкретный живой организм служит лишь временным прибежищем для них. По его мнению, гены практически бессмертны, в отличие от живых организмов, в которых они существуют. Некоторым генам десятки и даже сотни миллионов лет. Гены, пользуясь терминологией Докинза, делают все возможное, чтобы выжить. Приспосабливаются к жаре и холоду, выбирая себе местечко получше, мигрируют с помощью человека и вступают в новые комбинации. Человек оказался довольно непоседливым хозяином. За тысячи лет он сильно исколесил мир, распространяя свое присутствие, влияние и свою начинку – гены.

Так ли это? Пусть выводы каждый сделает сам для себя, а пока давайте посмотрим, что же позволяет гену путешествовать, а нам – передавать наследственные качества своему потомству.

Для начала вспомним, что в ядре клетки молекулы ДНК расположены в особых структурах, получивших название хромосомы. Хромосомы становятся видимыми в микроскопе при делении клетки на определенной стадии клеточного цикла, называемой митозом. Хромосомы в этом состоянии представляют собой компактные палочковидные структуры разной длины с довольно постоянной толщиной, у большей части хромосом имеется перетяжка, которая делит хромосому на два плеча. В области перетяжки расположена важная для удвоения хромосом структура, называемая центромерой. При делении клетки в ходе митоза происходит удвоение числа хромосом, в результате которого обе вновь образующиеся клетки обеспечиваются одним и тем же стандартным набором хромосом.

У человека в каждой клетке тела содержится 46 хромосом. Набор хромосом во всех клетках человека (за исключением половых) называют диплоидным (двойным), поскольку каждая из хромосом представлена двумя копиями (всего 23 пары). Каждая соматическая клетка человека (кроме красных кровяных клеток крови) содержит по два полных набора хромосом. В каждом единичном (гаплоидном) наборе присутствуют 23 хромосомы – 22 обычные хромосомы (аутосомы) и по одной половой хромосоме – X или Y. Таким образом, геном каждого конкретного человека состоит из 23 пар гигантских молекул ДНК, распределенных в разных хромосомах, а если говорить о геноме человека вообще (мужчин и женщин), то общее число таких молекул равно 24. Это первое базовое сведение, которое было получено о геноме человека при анализе хромосом.

Изучение строения (размера и формы) хромосом человека показало, что большинство из них по внешнему виду напоминают кегли, состоящие из двух толстых частей (хроматид) и тонкой перетяжки (центромеры) между ними. Сходство с кеглями, а не с гантелями заключается в том, что центромера чаще всего расположена не в центре хромосомы, а смещена к одному из ее концов. Размеры хромосом сильно варьируются, самая короткая хромосома примерно в десять раз меньше, чем самая длинная. Это второе принципиально важное сведение о структуре генома человека – составляющие его 24 молекулы ДНК имеют разный размер.

С помощью световой микроскопии были определены размеры всех хромосом человека. Затем все неполовые хромосомы были пронумерованы по уменьшению размера – от 1 до 22. Половым хромосомам не присвоили номер, а назвали X и Y. Как показали более точные последующие исследования, хромосома 21 реально оказалась чуть меньше 22, однако нумерацию хромосом не изменили (чтобы не вносить путаницу). Различие в хромосомных наборах между мужчинами и женщинами состоит в том, что у женщин имеются две половые Х-хромосомы (т. е. хромосомы во всех 23 парах одинаковы), а у мужчин пару с Х-хромосомой образует мужская половая хромосома – Y.

Половые клетки человека, в отличие от клеток тела взрослого организма (соматических клеток), содержат не два набора томов ДНКового текста, а всего лишь один. Перед зачатием каждая отдельная хромосома (отдельный том в Энциклопедии человека) сперматозоида отца и яйцеклетки матери состоят из смешанных в разном сочетании различных глав ДНКового текста их родителей. Любая из хромосом, полученная нами от отца, образовалась в его семенниках незадолго до того, как мы были зачаты. Ранее, за всю историю человечества, точно такая хромосома никогда не существовала. Она была сформирована в процессе случайного перемешивания, происходящего при делении, постепенно образуясь из объединяющихся друг с другом участков хромосом предков со стороны отца. Так же обстоит дело и с хромосомами яйцеклеток, за исключением того, что они формируются в организме нашей матери задолго до нашего рождения (почти сразу после рождения самой матери).

В зиготе, образующейся в результате слияния сперматозоида и яйцеклетки, материнские и отцовские гены смешиваются и перетасовываются в разных сочетаниях. Это происходит в результате того, что хромосомы не остаются неизменными в поколениях – они вступают во взаимодействие со своей случайно встреченной парой, обмениваясь с ней материалом. Такой постоянно идущий процесс получил название рекомбинации. И следующему поколению часто достается уже гибридная хромосома – часть от дедушки и часть от бабушки. Далее в ряду поколений пути генов постоянно пересекаются и расходятся. В результате слияния уникальной яйцеклетки с уникальным сперматозоидом и возникает уникальный во всех отношениях геном. И в этом смысле все мы уникумы. Каждый человеческий индивид хранит уникальную генетическую информацию, состоящую из случайной комбинации разных вариантов генов.

Сразу после зачатия будущий человек представляет собой всего одну клетку (зиготу), наделенную одной исходной ДНКовой библиотекой, содержащей 46 томов. Среди 46 томов всегда 23 получены от отца, а другие 23 – от матери. Тексты 23 отцовских и 23 материнских томов хотя и очень сходны в целом, тем не менее отличаются в деталях. Например, в отцовском томе N18 на странице 253 существует предложение-предписание (в виде гена), в котором сказано, что глаза у ребенка должны быть карими, а в этом же материнском томе на той же странице тоже написано о цвете глаз, но согласно этому тексту цвет должен быть голубым. Первое указание более строгое (доминирующее), чем второе, и в результате у ребенка глаза будут иметь карий цвет. Ген, который диктует свои права, называют доминирующим, а тот, который уступает свои права, – рецессивным. Голубой цвет глаз имеют только те люди, у которых и в материнском, и в отцовском тексте содержатся рецессивные гены, в которых есть указание на голубоглазость. Затем зигота делится на две клетки, каждая из них вновь делится, и так до появления миллиардов клеток.

При каждом делении клетки все ДНК точно копируются, причем практически без ошибок. Организм взрослого человека состоит в среднем из 1014 клеток. Например, в головном мозге и печени насчитывается примерно по 10 миллиардов клеток, в иммунной системе – 300 миллиардов клеток. В течение всей жизни человека в его организме происходит около 1016 клеточных делений. Клеточный состав многих органов за 70 лет жизни обновляется несколько раз. И каждая из этих клеток содержит одни и те же 46 томов ДНКового текста.

Глава 4. Сбой программы и генная инженерия

Всего у человека приблизительно 100 000 генов, в структуре которых может встречаться по меньшей мере 12 ошибок, возникающих, как правило, случайно. Большая часть этих ошибок не имеет серьезных последствий, однако некоторые вызывают генетические болезни. Пренатальное (дородовое) исследование может заблаговременно показать родителям, унаследовал ли их младенец ту или иную генетическую болезнь.

Современный уровень генетики дает шанс исправлять ошибки, вызывающие генетические болезни. Генная терапия выявляет дефектный ген и предлагает целый арсенал средств, позволяющих его исправить. Затем путем инъекции пациенту клеток, содержащих исправленные гены, симптомы болезни могут быть смягчены или устранены совсем. Однако такие пациенты все равно будут нести дефектный ген в сперме или яйцеклетке, хотя сами могут жить нормальной жизнью. Первые эксперименты с генной терапией уже проводятся в США. Правда, пока ни одну из серьезных генетических болезней с помощью генной терапии не вылечили.

Открытие того, как клеточная информация «записана», создает возможность внесения изменений в эту «запись», позволяет ее «редактировать». Этот процесс получил название генной инженерии. Впервые ею стали заниматься в 70-е годы. Технология, названная рекомбинацией ДНК, включает в себя вырезание последовательности из гена и введение другой последовательности, либо созданной синтетически, либо взятой из другого вида.

Например, если человеческий ген, в котором закодирован инсулин, извлечь и ввести в ДНК бактерии, то через какое-то время бактерия будет производить инсулин наряду со своими собственными продуктами. Поскольку бактерии размножаются с неимоверной быстротой, получается, что они будут превращены в миниатюрную фабрику по производству полезного белка.

Другой вариант: гены, стойкие к вредителям или засухе, могут быть введены в наследственный код культурных растений. Можно вырастить зерновые, которые станут получать азот прямо из воздуха и не будут нуждаться в удобрениях. Затем могут быть получены генетически идентичные копии – клоны – полезных растений или животных (удачные опыты в этой области уже осуществлены в Англии). В конечном счете с биологической точки зрения нет препятствий и для клонирования людей.

Впервые тревога по поводу возможных побочных эффектов генной инженерии прозвучала на конференции в Калифорнии в 1975 году. Были высказаны опасения, что генетически измененный организм может оказаться за стенами лаборатории и создать угрозу обществу. Тогда же были выработаны принципы и правила, неукоснительное соблюдение которых должно было минимизировать риск.

Существуют опасения, что тем, кто генетически предрасположен к раку или сердечной болезни, будет трудно получить медицинское страхование и даже работу в случае, если эта информация попадет в руки работодателя. Эти проблемы требуют широкого обсуждения и, может быть, принятия специального законодательства по охране «генетической тайны».

Но самое большое беспокойство связано с тем, что разгадка генетического строения человека может подорвать тайну жизни и существование свободной воли. Если все определяют гены, то что остается людям для принятия собственного решения? Угроза заключена в генном детерминизме, в котором таланты, индивидуальность людей и даже то, каким образом они умрут, – все запрограммировано генами. Мораль, официальная философия и религия наравне с наукой вовлечены в полемику об основополагающих истоках жизни и смерти.

Глава 5. Родословная человечества

Самый интересный вопрос, на который может ответить исследование ДНК, это – откуда мы взялись. Любопытную версию предлагает автор книги «Откуда появились славяне и индоевропейцы» Анатолий Клесов. Он проследил за путешествием нескольких генов, передающихся из поколения в поколение, и сделал несколько шокирующих выводов.

Но обо всем по порядку. Считается, что носители русского языка относятся к группе восточных славян. Всего выделяют три группы – восточные славяне, западные и южные. Восточные славяне – это русские, украинцы, белорусы. Западные славяне – поляки, чехи, словаки. Южные славяне – это сербы, хорваты, боснийцы, македонцы, болгары, словенцы. Группы объединяются по разным признакам. Как следует из названия, в первую очередь учитывается география поселений. Во вторую – национальная общность, язык, культура и, наконец, история. Все эти признаки резко разделяют группы. Так, западные славяне – католики, восточные – православные. Южные отличаются смуглой кожей и темными волосами. Казалось бы, что между ними общего, кроме схожих корней в исторических словах? Ан нет, генеалогия точно указывает, что это – один род, одна и та же метка в Y-хромосоме, одна и та же история миграций, один и тот же общий предок. Одна и та же предковая гаплогруппа, наконец.

Вот мы и дошли до понятия «предковая гаплогруппа», или «гаплогруппа рода». Анатолий Клесов пишет: «Она определяется метками, или картиной мутаций в мужской половой хромосоме. У женщин они тоже есть, но в другой системе координат. Так вот, восточные славяне – это род R1a1. Их среди жителей России, Украины, Белоруссии – от 45 до 70 %. А в старинных русских и украинских городах, городках, селениях – до 80 %.

Поскольку принадлежность к гаплогруппе определяется совершенно конкретными мутациями в определенных нуклеотидах Y-хромосомы, то можно сказать, что каждый из нас носит определенную метку в ДНК. И эта метка в мужском потомстве неистребима, она может быть истреблена только вместе с самим потомством. К сожалению, таких случаев в прошлом было предостаточно. Но это вовсе не означает, что данная метка – показатель некой «породы» человека. Эта метка не связана с генами и не имеет к ним никакого отношения, а именно гены, и только гены, могут быть при желании связаны с «породой». Гаплогруппы и гаплотипы никак не определяют форму черепа или носа, цвет волос, физические или умственные характеристики человека. Но они навсегда привязывают носителя гаплотипа к определенному человеческому роду, в начале которого был патриарх рода, потомство которого выжило и живет в наши дни, в отличие от миллионов других оборвавшихся генеалогических линий.

Эта метка в наших ДНК оказывается бесценной для историков, лингвистов, антропологов, потому что эта метка не «ассимилируется», как ассимилируются носители языков, генов, носители разных культур, которые «растворяются» в популяции. Гаплотипы и гаплогруппы не «растворяются», не ассимилируются. Какую бы религию ни поменяли потомки в ходе тысячелетий, какой бы язык ни приобрели, какие бы культурно-этнические характеристики ни изменили, точно та же гаплогруппа, такой же гаплотип (разве что с несколькими мутациями) упрямо появляется при соответствующем тестировании определенных фрагментов Y-хромосомы. Неважно, мусульманин ли это, христианин, иудей, буддист, атеист или язычник».

Автор книги через анализ ДНК доказывает, что члены рода R1a1 12 тысяч лет назад жили на Балканах. Через двести с лишним поколений они вышли на восточноевропейскую равнину, где 4500 лет назад появился предок современных русских и украинцев рода R1a1. Еще через пятьсот лет, 4000 лет назад, они вышли на Южный Урал, еще через четыреста лет отправились в Индию, где сейчас живут примерно 100 миллионов их потомков, членов того же рода R1a1. Еще одна волна переселенцев с теми же гаплотипами отправилась из Средней Азии в Восточный Иран. Параллельно представители того же генотипа переселились на Аравийский полуостров, Оманский залив, где сейчас находятся Катар, Кувейт, Объединенные Арабские Эмираты. Тамошние арабы, получив результаты тестирования ДНК, с изумлением смотрят на сертификат тестирования с гаплотипом и гаплогруппой R1a1. И эти сертификаты определяют границы ареала походов древних ариев. Расчеты показывают, что времена этих походов в Аравию – 4 тысячи лет назад.

Напомним, что люди рода R1a1 населяют Россию на 70 %. А вот далее к западу, к Атлантике, доля рода R1a1 неуклонно падает и у жителей Британских островов составляет лишь 2–4 %.

Но как это удалось узнать? Тайну раскрыла Y-хромосома. Та самая, которая передается от отца к сыну и далее к каждому очередному сыну по цепочке времен длиной в десятки тысяч лет. Сын получает Y-хромосому от отца точно такую же, какую тот получил от своего отца, плюс новые мутации, если таковые произошли при передаче от отца сыну. А случается это редко.

Историческая математика

Именно по этим случайным мутациям – перестановкам в цепочке ДНК – и можно определить возраст того или иного гена. В доказательство Анатолий Клесов приводит собственный расшифрованный гаплотип, принадлежащий к тому самому роду R1a1. В цифровом выражении он выглядит следующим образом:

13 24 16 11 11 15 12 12 10 13 11 30 16 9 10 11 11 24 14 20 34 15 15 16 16

Каждая цифра – это определенная последовательность блоков нуклеотидов в Y-хромосоме ДНК. Она называется аллель и показывает, сколько раз этот блок повторяется в ДНК. Мутации в таком гаплотипе (то есть случайное изменение числа блоков нуклеотидов) происходят со скоростью одна мутация примерно в 22 поколения, то есть в среднем раз в 550 лет.

Гаплотипы очень устойчивы и сохраняют свои основные черты на протяжении тысячелетий. Поэтому, даже со всевозможными изменениями, один род легко отличить от другого. «Возьмем не славянский R1a1, – пишет автор, – а, скажем, угро-финский род, N3 в системе ДНК-генеалогии. Типичный 25-маркерный гаплотип этого рода выглядит так:

14 24 14 11 11 13 11 12 10 14 14 30 17 10 10 11 12 25 14 19 30 12 12 14 14

Он имеет 29 мутаций по сравнению с приведенным выше славянским! Это соответствует разнице больше двух тысяч поколений, то есть славянский с угро-финнами общий предок жил более 30 тысяч лет назад.

Такая же картина получается, если сравнить, например, с евреями. Типичный ближневосточный гаплотип евреев (род J1) такой:

12 23 14 10 13 15 11 16 12 13 11 30 17 8 9 11 11 26 14 21 27 12 14 16 17

Он имеет 32 мутации по отношению к славянскому. Еще дальше, чем угро-финны. А между собой они различаются на 35 мутаций.

В общем, идея ясна. Гаплотипы отражают совершенно разные истории рода, происхождение, миграцию родов.

Очень важно, что по числу мутаций в гаплотипах можно рассчитывать, когда жил общий предок группы людей, гаплотипы которых мы рассматриваем».

Итак, наш общий праславянский предок на территории современной России– Украины жил 4500 лет назад. Ранний бронзовый век, или даже энеолит, переход от каменного века к бронзовому. Теперь мы можем начать выстраивать последовательность событий нашей древнейшей истории. 4500 лет назад праславяне появились на среднерусской возвышенности, причем не просто какие-то праславяне, а именно те, потомки которых живут в наше время, числом десятки миллионов человек. 3800 лет назад арии, потомки тех праславян (и имеющие идентичный предковый гаплотип), построили городище Аркаим (его теперешнее название), Синташту и «страну городов» на Южном Урале. 3600 лет назад Аркаим арии покинули и перешли в Индию.

В настоящее время доля славян-ариев гаплогруппы R1a1 в Литве 38 %, в Латвии 41 % и Белоруссии 40 %, на Украине от 45 % до 54 %. В России славян-ариев в среднем 48 % за счет высокой доли угро-финнов на севере России, но на юге и в центре России доля восточных славян-ариев достигает 60–75 % и выше.

Таким образом, мы видим, что расшифровка ДНК помогает не только предотвратить болезни, но и узнать историю древнего мира, понять, откуда мы вышли и где можем обрести неожиданных «родственников».

Часть III. Куда пропала овечка Долли?

Буквально несколько лет назад каждый из нас мог считать себя генетиком. Ведь не было ни одного взрослого человека, который ни обсуждал бы проблему клонирования – возможно ли клонировать человека или нет? А если да – нравственно ли это? Получится ли клонировать органы для пересадки? И чего ждать от «донора из пробирки»? Сегодня эти разговоры поутихли, но считать, что в них поставлена точка, по-прежнему нельзя.

Глава 1. Сначала была… лягушка

Термин «клон» происходит от греческого слова klon, что означает – веточка, побег, черенок. Когда-то он имел отношение исключительно к сельскому хозяйству. По идее, каждый садовод хотя бы раз в жизни занимался клонированием, размножая усиками клубнику или высаживая клубни картофеля. Простейшие технологии клонирования растений были изобретены 4 тысячи лет назад, но даже в этом направлении двадцатый век совершил революцию.

Дело в том, что у растений (в отличие от животных) клетки по мере роста не теряют своей универсальности – они сохраняют способность реализовывать всю заложенную в них генетическую информацию. Проще говоря, из клетки почки вполне можно вырастить ствол и даже корень – и наоборот. Это свойство клетки легло в основу нового метода, разработанного в семидесятых годах прошлого века, и породило новое направление генетики – растениям начали задавать новые свойства уже не на уровне черенка или опыления, а на уровне одной-единственной клетки.

Здесь надо иметь в виду, что при вегетативном размножении и при клонировании гены не распределяются по потомкам, как в случае полового размножения, а сохраняются в полном составе в течение многих поколений. Все организмы, входящие в состав определенного клона, имеют одинаковый набор генов и с точки зрения ДНК не различаются между собой. Впрочем, нам это нисколько не вредит. Ведь, съедая ягодку клубники, мы нисколько не страдаем от того, что она – точная копия предыдущей.

А вот клетки человека (да и всех животных) с развитием дифференцируются – становятся частью той или иной ткани – и уже не способны превратиться ни во что иное (за исключением так называемых стволовых клеток; но об этом – чуть позже). Это заложено в наших ДНК. Поэтому в случае с овечкой Долли или человеческими органами речь идет совсем о другом механизме.

Впервые его применили в начале 1950-х годов в опытах на лягушках. Американские исследователи Бриггс и Кинг разработали микрохирургический метод пересадки ядер эмбриональных клеток с помощью тонкой стеклянной пипетки в лишенные ядра (энуклеированные) яйцеклетки-икринки. Они установили, что если брать ядра из клеток зародыша на ранней стадии его развития, то примерно в 80 % случаев зародыш благополучно развивается дальше и превращается в нормального головастика. Если же развитие зародыша, донора ядра, продвинулось на следующую стадию, то яйцеклетки в большинстве своем погибали. Таким образом, было доказано главное отличие клеток животных от клеток растений.

Впрочем, опыты, произведенные чуть позже, пошатнули эту теорию. И виноваты в этом оказались… южноафриканские жабы. Английский биолог Гердон в 1962 году попробовал переиначить опыты. Он взял не зародышевые клетки, а уже «взрослые» и сформировавшиеся клетки, выстилающие внутреннюю часть кишечника жабы. Ядра икринок-яйцеклеток он удалял не хирургическим путем, а разрушал ультрафиолетовыми лучами. В принципе, можно сказать, что и его эксперименты провалились – из всех икринок только 1 % развился в половозрелые особи. Но тем не менее был доказан новый принцип – «взрослые» клетки можно «пробудить» и напомнить им об их потенциальных возможностях.

Затем Гердон вместе со своим коллегой Ласки стали выращивать клетки в пробирке – в питательной среде вне организма. Они брали клетки почек, легкого и кожи жаб и вживляли их в лишенные ядра яйцеклетки. Они даже изобрели новый, ступенчатый метод пересадки – сначала ядро подсаживали в одну яйцеклетку, а когда она развивалась до определенной стадии – извлекали и пересаживали в более «зрелую» икринку. При таких серийных пересадках им удалось вырастить несколько «клонированных» головастиков. Но, главное, было доказано, что клетки трех разных тканей взрослого позвоночного (а жаба в этом плане практически не отличается от человека) содержат ядра, которые могут обеспечить развитие по крайней мере до стадии головастика.

Параллельно такие же эксперименты проводились с клетками крови – эритроцитами. Они дали примерно такие же результаты: часть эмбрионов удавалось вырастить до головастиков, но не более того. Получалось, что клонировать позвоночных теоретически можно, но только на стадии зародыша в раннем этапе развития.

Получалось, что главный постулат подтверждается – «взрослая» клетка животного может принадлежать только определенному типу ткани и теряет универсальные свойства, что сопровождается разрушением невостребованных ДНК. Но одновременно с этим были обнаружены так называемые «стволовые» клетки, которые отличаются от обычных меньшей дифференциацией – то есть они частично сохраняют способность видоизменяться. И именно эти клетки смогли обеспечить клонирование головастиков.