Текст книги "Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами"

Как уже говорилось, молекулы ДНК, содержащиеся во всех хромосомах одной клетки человека, имеют общую длину около 2 метров. Это в среднем в миллион раз больше, чем диаметр клеточного ядра, составляющий порядка микрометра. Как же умещаются столь гигантские молекулы в таком маленьком ядре? Изучение структуры хромосом позволило ответить на этот вопрос. Оказывается, в ядре осуществляется «насильственная» упаковка молекул ДНК. Это достигается с помощью специальных механизмов, обеспечивающих изгибание двойной спирали ДНК. Существует несколько уровней «компактизации» ДНК в клетке (рис. 11).

Некоторые из особенностей упаковки ДНК изучены хорошо, а о некоторых существуют пока лишь приблизительные представления. Первый уровень компактизации заключается в накручивании нити ДНК, как нитки на катушку, на специальный комплекс ядерных белков (гистонов). Нить ДНК делает около двух оборотов вокруг одно

Рис. 11. Стадии упаковки ДНК в хромосомах (от двойной спирали до целых хромосом)

го комплекса, а затем снова около двух оборотов вокруг второго комплекса и т. д. В результате образуется структура, напоминающая бусы. Отдельные бусинки в этой структуре получили название нуклеосомы. На одной нуклеосоме размещается около 200 пар нуклеотидов ДНК. Между нуклеосомами остается фрагмент ДНК размером до 60 пар оснований, называемый линкером. Этот уровень укладки позволяет уменьшить линейные размеры ДНК в 6—7 раз.

На втором уровне компактизации «бусы» укладываются в спираль, состоящую из шести нуклеосом на виток. При этом линейные размеры ДНК уменьшаются в сумме до 1 мм, т. е. в 25—30 раз.

Третий уровень компактизации молекул ДНК изучен еще плохо. Скорее всего, это петельная укладка фибрилл – образование петельных доменов, которые под углом отходят от основной оси хромосомы (уплотнение в 680 раз). Их можно видеть в обычный световой микроскоп.

На последнем уровне компактизации ДНК происходит ее уплотнение примерно в 10000 раз.

На первом этапе непосредственного исследования структуры генома человека, когда еще не существовала методология генной инженерии, для изучения ДНК применяли традиционные физико–химические методы. В этих опытах использовали суммарные препараты ДНК, целиком выделенные из ядер клеток человека.

Пожалуй, первые сведения о молекулярной структуре генома человека были получены в результате центрифугирования в пробирке растворов ДНК в хлористом цезии при довольно высоких скоростях. В процессе вращения соли цезия создают тонкие слои раствора с различной плотностью (градиент плотности) вдоль пробирки и молекулы ДНК перемещаются в этом градиенте, пока не достигнут такой области, где плотность солевого раствора будет точно такой же, как их собственная. А плотность ДНК сильно зависит от содержания АТ–и ГЦ–пар нуклеотидов, т. е., как говорят, от нуклеотидного состава. Оказалось, что основная масса ДНК человека после центрифугирования располагается преимущественно в одной зоне градиента (это соответствует среднему содержанию ГЦ–пар в геноме человека, равному 42%). Однако наряду с этим неожиданно обнаруживались и небольшие (минорные) полосы, в которых также содержались молекулы ДНК, но с иной плотностью и, следовательно, с иным содержанием нуклеотидных пар. Такие минорные, или дополнительные фракции ДНК получили название «сателлитных». Такое имя дали этим фракциям не случайно. В то время как раз был запущен первый советский спутник (лат. satellitis – спутник). Это и натолкнуло исследователей на такое название.

Вскоре после того, как была установлена двухспиральная структура ДНК, обнаружили, что при сильном нагревании ДНК две ее цепи расходятся (расплавляются) и ДНК из двунитевой превращается в однонитевую. Это приводит к нарушению ее естественной структуры, что получило отражение в названии данного процесса – денатурация ДНК. Однако при охлаждении денатурированной ДНК комплементарные цепи находят друг друга и соединяются строго так, как они располагались в исходной неденатурированной молекуле, по типу застежки – «молнии». Этот процесс получил название рена–турации или реассоциации. Сразу же после обнаружения этого явления оно было использовано экспериментаторами в целях изучения структуры генома.

Немного совсем простой математики для тех самых любопытных, кто недавно закончил ВУЗ, изучал химию и еще не забыл все, чему его учили. Процесс реассоциации ДНК во многом сходен с обычной химической реакцией второго порядка и, по этой причине, может быть описан довольно простой формулой:

С_t/C₀, = 1/(1 + k₂(C₀t)),

где C₀ и С_t – концентрации однонитевых ДНК соответственно в начальный (нулевой) момент времени и в момент времени t после начала реакции реассоциации, k₂ – константа скорости реакции второго порядка.

Для удобства изображения процесса реассоциации строят график, в котором по оси ординат откладывают долю реассоциированных молекул, а по оси абсцисс – величину C₀t. При таком изображении кривые кинетики реассоциации ДНК простейших организмов (вирусов и бактерий) имеют S – образный вид. Это соответствует кинетике химической реакции второго порядка. Если в эксперименте наблюдают отклонения от этой кривой, то это должно указывать на гетерогенность цепей ДНК по скорости взаимодействия друг с другом: одни реагирует быстрее, другие, соответственно, медленнее. Когда ДНК человека порезали на куски небольшого размера и измерили кинетику их реассоциации, то обнаружилось, что кривая, описывающая этот процесс, далека от стандартной (рис. 12).

Это явилось результатом того, что в ДНК человека имеются нук–леотидные последовательности, реассоциирующие с разной скоростью, а суммарная кривая реакции, наблюдаемая в опыте, отражает совокупность множества независимых реакций второго порядка. Когда были проведены эти эксперименты, уже существовал математический аппарат, позволяющий, хотя и очень грубо, вычленять из сложной суммарной кривой отдельные относительно однородные кинетические компоненты. Различия в скоростях реассоциации разных компонентов ДНК человека были связаны с разной представленностью в ДНК отдельных нуклеотидных последовательностей. Участки, которые присутствуют в геноме всего один раз, назвали уникальными. Если в геноме определенная нуклеотидная последовательность не уникальна, а представлена неким числом одинаковых копий (т. е. повторяется, отсюда и название – повторяющаяся), то такая последовательность, естественно, по чисто химическим законам, будет в растворе находить комплементарную цепь и взаимодействовать с ней (реассоциировать) значительно быстрее первой.

В результате такого анализа нашли, что в геноме человека около 75% участков ДНК представлены 1 копией (уникальные) на гаплоидный геном (естественно, в ядре, являющемся диплоидным, имеется 2 копии каждой уникальной нуклеотидной последовательности). Остальную часть генома составляют повторяющиеся последовательности (повторы), среди которых 10% представлены очень быстро реассоциирующими повторами (10⁴ и более копий на геном) и около 15% – умеренными повторами. Заметим сразу, что в дальнейшем эти оценки были существенно пересмотрены. Однако некоторые из этих результатов остались в силе до сих пор.

Первоначальные анализы показали, что среди быстро взаимодействующих друг с другом при реассоциации фрагментов ДНК присутствует некоторое количество таких, кинетика реассоциации которых отличается от реакции второго порядка. Причина этому оказалось в том, что эти участки представляют собой так называемые обращенные повторы, или палиндромы – взаимокомплементарные последовательности, расположенные не на разных, а на одной нити ДНК.

Рис. 12. Кинетика восстановления двунитевых молекул из искусственно разделенных комплементарных цепей ДНК человека (реассоциация). ДНК разбивают на небольшие фрагменты, денатурируют путем нагревания, а затем при охлаждении разошедшиеся цепи ДНК вновь соединяются. Чем чаще в смеси встречаются те или иные последовательности, тем быстрее они находят друг друга в растворе и реассоциируют. По этой кинетике определяли общее содержание повторяющихся и неповторяющихся (уникальных) нуклеотидных последовательностей в геноме человека

Таким образом, в ДНКовом текте присутствуют «предложения» – палиндромы («перевертыши»), одинаково читаемые слева направо и справа налево. Перевертыши хорошо известны из литературы – это предложения, которые читаются одинаково слева направо и справа налево без учета знаков препинания и интервалов между словами. В качестве примера приведем один из таких перевертышей:

УЖРЕДКОРУКОЮОКУРОКДЕРЖУ.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

можно получать копии генов в неограниченных количествах. Теперь он называется полимеразной цепной реакцией». За создание новой технологии ее автор получил Нобелевскую премию.

Полимеразная цепная реакция (сокращенно ПЦР) дает возможность в течение дня из одной молекулы ДНК получать 100 миллиардов идентичных по структуре молекул. Эта реакция довольно проста в исполнении: нужны лишь ДНК, пробирка, несколько реагентов и источник нагревания и охлаждения. Препарат ДНК, который необходимо копировать, может быть получен и из кусочка ткани, и из капли засохшей крови, и из засушенной мумии, и даже из тела мамонта, пролежавшего несколько тысяч лет в вечной мерзлоте. Суть этого метода изображена на рис. 14 на цветной вклейке.

Рис. 14. Схема протекания полимеразной цепной реакции (ПЦР).

Сама процедура ПЦР заключается в следующем. Прежде всего, ДНК денатурируют, нагревая ее до 98°С. При этом две цепи ДНК, относительно слабо связанные между собой, разделяются друг от друга. Далее в ход идут так называемые затравки (праймеры) – короткие однонитевые фрагменты ДНК, которые комплементарны краям того участка генома, который собираются размножать (амп–лифицировать). Эти затравки гибридизуются с комплементарными участками однонитевых молекул ДНК, после чего специальный фермент (ДНК–полимераза) удлинняет затравки, строя молекулу ДНК по матрице (цикл 1). Затем продукты реакции вновь денатурируют и процедуру повторяют необходимое число раз. За 20—30 циклов из одной молекулы можно получить миллионы копий ДНК. Этот процесс подобен цепной ядерной реакции, но осуществляется в пробирке с помощью специального фермента – термостабильной ДНК–по–лимеразы. По этой причине он и получил название полимеразной цепной реакции.

Длительное время искали эффективные методы, позволяющие определять последовательность нуклеотидов в длинных молекулах ДНК (такое определение нуклеотидной последовательности получило название секвенирование, от анг. sequence – последовательность). Только в середине 70–х годов секвенирование протяженных участков ДНК стало возможным. Связано это было с изобретением принципиально новых подходов. В 1976 г. А. Максамом и У. Гилбертом был разработан метод прямого секвенирования, основанный на химической деградации ДНК. В данном случае осуществляется специфическая химическая фрагментация длинной цепи ДНК (поли–нуклеотида), радиоактивно меченной с одного конца. Затем препарат меченой ДНК разделяют на четыре порции и каждую из них обрабатывают реагентом, модифицирующим одно или два из четырех оснований, содержащихся в ней. После разделения в специальном геле меченых фрагментов по размерам (с помощью электрофореза) на рентгеновских пленках смотрят, что при этом происходит с нуклеотидной последовательностью, и на основании этого делают вывод о порядке расположения нуклеотидов друг за другом в каждом фрагменте ДНК. Однако метод оказался довольно сложным. В становлении этого метода на его начальных этапах существенную роль сыграл российский ученый академик А. Д. Мирзабеков, работавший в лаборатории У. Гилберта.

Чуть раньше английский ученый Фред Сэнгер предложил иной способ расшифровки структуры ДНК, который в конечном итоге после разных модификаций стал основным. Согласно методу Сэнгера молекулу ДНК с помощью специальной обработки ферментами не только расщепляют на фрагменты, но и «расплетают» ее двойную спираль на две нити. Потом по каждому из полученных обрывков «нитей» с помощью специальных затравок восстанавливают недостающую вторую нить ДНК. При этом синтез второй нити осуществляется не полностью, а с помощью специального приема обеспечивается прекращение синтеза строго на одном из 4 нуклео–тидов. В результате этого получался набор цепей ДНК с разной длиной – «лесенка». Эта «лесенка» становится видимой глазом после разделения всех фрагментов по размерам за счет того, что концы всех фрагментов содержат специфическую – или радиоактивную, или флуоресцентную метку. Следует отметить, что в разработку этого поистине революционизирующего метода существенный вклад был сделан и двумя российскими учеными: профессором С. К. Василенко и академиком Е. Д. Свердловым.

За разработку методов секвенирования Гилберт и Сэнгер получили Нобелевскую премию. Интересно, что для Сэнгера эта была уже вторая премия, первую он получил за расшифровку аминокислотной последовательности первого белка – инсулина.

Все автоматы–секвенаторы, которые появились позднее, были построены по принципу метода Сэнгера, поскольку он оказался более удобным для автоматизации процесса и компьютерной регистрации результатов. В настоящее время ряд крупных фирм занимается производством таких автоматов, а также стандартных наборов реактивов для анализа ДНК. Секвенирование стало достаточно рутинной лаборантской работой. А метод Максама–Гилберта имеет сейчас скорее историческое, чем практическое значение.

Во всех случаях основное правило заключается в том, чтобы в препарате ДНК, который собираются секвенировать, все фрагменты имели, по крайней мере, один одинаковый конец, т. е. одну точку отсчета. В этот фиксированный конец вводят радиоактивную (или флуоресцентную) метку. После этого проводят дальнейшие специфические расщепления молекул с помощью ферментов или химических агентов по строго определенным азотистым основаниям. Условия расщепления при этом таковы, что на каждый меченый фрагмент в среднем приходится один разрыв. В результате после расщепления образуется набор фрагментов разной длины, каждый из которых начинается в точке отсчета, а заканчивается на или перед определенным типом нуклеотида.

Полученные фрагменты разделяют по размерам с помощью элек–торофореза в гелях. Маленькие фрагменты движутся быстрее более крупных, и в результате такой процедуры все фрагменты выстраиваются друг за другом в зависимости от своей длины. Результат такого разделения изображен схематически на рис. 15.

Так осуществляют секвенирование небольших фрагментов ДНК (не более 1000 нуклеотидов). Но геномы даже самых примитивных организмов имеют размер свыше 500 000 п. н. Как же их секвенируют? Для этого разработано несколько стратегий. Не будем вдаваться в подробности, но укажем на некоторые основные из них.