Андрей Шляхов - Генетика на пальцах

А возможно, что вы крупный ученый, генетик с мировым именем и лауреат всех мыслимых и немыслимых премий, кроме Нобелевской. И для получения этой премии вам необходимо произвести серию экспериментов с ДНК, обнаруженной в гробнице фараона Хеопса. ДНК у вас чуть-чуть (ясное дело, столько тысячелетий прошло), а экспериментов нужно произвести больше, чем камней в пирамиде этого самого Хеопса. Что вы станете делать?

Вы просто возьмете прибор, называемый амплификатором, и с его помощью «наштампуете» себе сколько угодно копий вашей драгоценной ДНК.

Принцип работы амплификатора заключается в обеспечении периодического охлаждения и нагревания пробирок с точностью до 0,1 °C. Изменение температуры нужно для управления полимеразной цепной реакцией – образования копий ДНК с участием фермента ДНК-полимеразы.

Амплификатор

В пробирку закладываются копируемые молекулы ДНК, свободные нуклеотиды из которых будут собираться в копии, молекулы ДНК-полимеразы и так называемые праймеры – инициаторы синтеза ДНК. Праймер представляет собой короткий фрагмент нуклеиновой кислоты, состоящий из нескольких нуклеотидов. Он должен быть комплементарным по отношению к «тиражируемому» ДНК, то есть, по сути дела, должен представлять собой концевой обрывок синтезируемой ДНК. Обратите внимание: концевой обрывок синтезируемой ДНК, а не той ДНК, с которой снимается копия!

Как понять слова «должен быть комплементарным»?

Комплементарностью называется взаимное соответствие молекул или их фрагментов, обеспечивающее образование связей между ними. В частности, 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 непременно соседствовать с урацилом (У).

Между членами пар «А – Т» («А – У») и «Г – Ц» образуются водородные связи, которые удерживают две цепочки вместе. Водородные связи могут разрушаться и образовываться вновь, а структура цепочек при этом не изменяется. Так, например, во время репликации двойная спираль молекулы ДНК расплетается на отдельные «нити», которые затем снова сплетаются вместе без какого-либо ущерба для себя и всей молекулы ДНК в целом.

«А – Т» (или «А – У») плюс «Г – Ц» – таков секретный код нуклеиновых кислот! Нарушить его невозможно – это все равно что пытаться открыть замок при помощи «чужого» ключа.

Вернемся к нашему процессу.

Праймеров нужно два – начальный и конечный. Возможно, что вам нужно копировать не всю молекулу ДНК, а какой-то ее фрагмент. Ничего сложного – нужно только подобрать необходимые праймеры, которые прикрепятся к «матричной» молекуле ДНК, ограничивая участок работы ДНК-полимеразы.

Именно к праймеру ДНК-полимераза начинает присоединять аминокислоты, создавая новую молекулу ДНК. Полимеразе нужен фрагмент, который она станет дополнять. Сама по себе, с нуля, она начать синтез молекулы ДНК не может, ей нужно за что-то «зацепиться». Образно говоря, праймеры выполняют роль закваски, запускающей процесс копирования молекул ДНК. Также они и останавливают этот процесс в нужный момент – дойдя до конечного праймера, ДНК-полимераза прекращает работу и начинает искать другой начальный праймер.

А вы думали, что генные инженеры сидят у электронного микроскопа и собирают вручную копии молекул ДНК из нуклеотидов? Все гораздо проще. Нужно собрать в одном месте образец, материал для создания копий, рабочих, которые будут эти копии создавать, и обеспечить им необходимые условия для работы. Только и всего!

Процесс амплификации в пробирке проходит в несколько этапов.

На первом этапе исходную двунитевую молекулу ДНК нагревают для того, чтобы она распалась на две отдельные нити вследствие разрушения водородных связей между нитями.

На втором этапе к разделенным молекулам добавляют праймеры и охлаждают смесь ДНК с праймерами для того, чтобы праймеры осели на комплементарных участках ДНК. Это происходит благодаря все тем же водородным связям, которые возникают при обычных температурах, а разрушаются при высоких.

На третьем этапе к смеси ДНК и праймеров добавляют фермент ДНК-полимеразу и свободные нуклеотиды, после чего устанавливают температуру 37 °C, необходимую для оптимальной работы ДНК-полимеразы. Фермент начинает действовать, и спустя некоторое время количество ДНК в пробирке удваивается. Цикл удвоения можно повторять столько раз, сколько требуется.

Мутации могут происходить в любых клетках – и в соматических, и в половых. Коренное отличие мутации в соматической клетке многоклеточного организма от мутации в половой клетке заключается в том, что соматическая мутация не способна передаваться по наследству. Соматическая мутация может привести к гибели клетки или же запустить неконтролируемое деление, приводящее к появлению опухолей, но потомству она не передастся. Вы с этим согласны?

Вот вам вопрос на сообразительность: в каких случаях мутации, возникшие в соматических клетках, все же передаются по наследству?

Подсказка номер один: «такое в принципе невозможно» будет неправильным вариантом ответа.

Подсказка номер два – начинайте с растений.

Ответ вы, как обычно, найдете в конце этой главы.

По результатам мутации подразделяют на полезные, нейтральные и вредные, которые в свою очередь делятся на стерильные, полулетальные и летальные.

Нейтральными называются мутации, которые никак не влияют на жизнеспособность организма. Например, в результате мутации котенок родился с глазами разных цветов, один глаз зеленый, а другой – голубой. Осложнит такой признак жизнь своему обладателю? Нет, разве что к участию в выставках его могут не допустить как «бракованного», но это уже хозяйские проблемы, а не кошачьи.

Полулетальными называются вредные мутации, значительно снижающие жизнеспособность организма, но, в отличие от летальных, не приводящие к его гибели. Например, детеныш шимпанзе в результате мутации не может усваивать мясо (шимпанзе, если кто не знал, не являются вегетарианцами). Признак, исключающий из рациона животную пищу, понизит жизнеспособность шимпанзе, но не убьет его.

Летальные мутации вызывают такие изменения в развитии, которые несовместимы с жизнедеятельностью. Примером может служить отсутствие перегородки между правым и левым желудочками сердца, в результате чего сердце не может выполнять свою насосную функцию.