Михаил Голубовский - Век генетики: эволюция идей и понятий

В рамках молекулярной и эволюционной генетики уже к началу 70-х годов были накоплены данные, которые пошатнули тезис, что ДНК хромосом ядра — стабильный и надежный хранитель наследственной информации, прямо отражающий эволюционное положение вида. Уже в 60-е годы выяснились два важных факта: количество ДНК в геноме близких видов может отличаться в несколько раз — так называемый С-парадокс (С — количество ДНК в гаплоидном ядре); состав ДНК гетерогенен, он включает фракции, которые заведомо не несут никакой информационной функции, но могут составлять до 80–90 % генома.

У разных видов лютика количество ДНК варьирует в 5 раз, у видов дрозофил — в 2,5 раза. Из табл. 1 видно, что близкие виды злаков, такие как кукуруза и сорго, отличаются по количеству ДНК в 3 раза. А вся ДНК генома риса может уместиться в одной из 42 хромосом мягкой пшеницы! (Shields, 1993). Если в среднем у млекопитающих величина С составляет 3 пг на ядро, то у двоякодышащей рыбы протеус С равно около 50 пг, а хвостатые амфибии — чемпионы, у них С равно 84 пг.

С-парадокс можно рассматривать в трех аспектах. Во-первых, отсутствие корреляции между сложностью организации и величиной генома, во-вторых, в пределах групп родственных животных и одного эволюционного ранга наблюдаются сильные различия в величине геномов, и в третьих, эукариотические организмы, даже дрозофила с относительно маленьким геномом, содержат ДНК гораздо больше, чем ожидается при данном числе структурных генов (Рэфф, Кофмен, 1986). Парадокс нашел частичное разрешение при открытии других неожиданностей в молекулярной организации хромосом эукариот.

У эукариот в составе ДНК хромосом были обнаружены высокоповторяющиеся ДНК, которые расположены блоками и повторены сотни тысяч или миллионы раз, причем в большинстве случаев эти многократные повторы состоят из коротких ничего не кодирующих последовательностей. В определенной степени количество ДНК все же соответствует сложности организмов. У вирусов геном варьирует в пределах 1,3–20х10 3, у бактерий 9х10 5–10 6п. н. В эволюции позвоночных проходил, по выражению Сусуми Оно, великий эксперимент с наращиванием количества ДНК: от оболочника и ланцетника, имеющих размер генома 6 и 17 % ДНК от уровня плацентарных млекопитающих.

У рыб наблюдается чрезвычайное разнообразие в размере генома в пределах классов и родов. "Кто бы мог подумать, — пишет Дж. Уотсон, — что у некоторых рыб и земноводных обнаружится в 25 раз больше ДНК, чем у любого из видов млекопитающих” (Уотсон, 1978, с. 507). Подобное удивление выражает уже не молекулярный генетик, а специалист по структуре хромосом: "О том, что большая часть ДНК не кодирует белков, еще несколько лет назад и не подозревали" (Босток, Самнер, 1981, с. 23).

Еще большие неожиданности в строении ДНК и генов подстерегали молекулярных генетиков и эволюционистов в конце 70-х годов, когда были разработаны новые методы анализа нуклеиновых кислот и возникла генная инженерия.

Г. П. Георгиев (1989) называет возникшие в 70-х годах новые методы анализа нуклеиновых кислот методической революцией. Расшифровка первичной структуры ДНК, т. е. последовательности азотистых оснований аденина (А), гуанина (Г), тимина (Т) и цитозина (Ц), чередующихся в данной молекуле ДНК тысячи и миллионы раз, считалась еще в начале 60-х годов трудно осуществимой задачей. Э. Чаргафф — патриарх в области изучения структуры ДНК — писал в 1968 г.: "'Детальное определение нуклеотидной последовательности в молекуле ДНК находится вне наших настоящих возможностей и маловероятно, что окажется доступным в ближайшее время. Мы можем поэтому оставить задачу чтения полной нуклеотидной последовательности в ДНК XXI веку…" (цит. по: Баев, 1981).

Однако уже в 1977 г. благодаря работам F. Sanger и W. Gilbert расшифровка первичной структуры ДНК стала доступной даже для средней биохимической лаборатории, а в середине 80-х годов появились автоматические анализаторы структуры ДНК. Sanger, получивший Нобелевскую премию в 1958 г. за расшифровку структуры инсулина, стал в 1980 г. вторично нобелевским лауреатом за разработку новых методов анализа нуклеиновых кислот. Эти и другие методы анализа первичной структуры ДНК открыли совершенно новые возможности для изучения структуры генетического материала и его эволюционных изменений. Вот вкратце эти революционные методы:

1. Гель-электрофорез нуклеиновых кислот. В геле фрагменты молекул ДНК и РНК движутся тем быстрее, чем они меньше. Подбирая условия, можно разделять олигонуклеотиды, отличающиеся по длине всего на один нуклеотид.

2. Расщепление ДНК рестриктазами. В 1970 г. В. Арбер из Швейцарии и X. Смит из США открыли ферменты, с помощью которых бактерии расщепляют попавшую в них чужеродную ДНК — рестриктазы. Рестриктазы обычно узнают короткие последовательности — палиндромы длиной 4–6 оснований. Обрабатывая нить ДНК разными рестриктазами, "нарезают" ее на отдельные фрагменты, которые уже можно анализировать и сравнивать, идентичны ли они у особей разных генотипов.

3. Синтез ДНК по матрице РНК. В 1972 г. Говард Темин и Дэвид Балтимор (США) открыли обратную транскриптазу, или ревертазу, фермент, осуществляющий синтез ДНК по матрице РНК. С помощью ревертазы, выделив из клетки или ткани определенную РНК, можно синтезировать ее ДНК — копию, которая должна соответствовать структуре данного гена.

4. Молекулярное клонирование или генная инженерия. Метод позволяет встраивать любой отрезок ДНК в бактериальную плазмиду и получать рекомбинантную ДНК. Этой плазмидой затем заражают бактерию-хозяина. Метод был разработан в 1972 микробиологом Полем Бергом (США), удостоенным Нобелевской премии.

5. Ф. Сенгер и М. Гилберт разработали методы чтения ДНК последовательностей в отдельных фрагментах, позволяющие за несколько часов "читать" последовательности длиной в тысячи нуклеотидов.

6. Полимеразная цепная реакция — метод, разработанный в конце 80-х годов, позволяющий тысячекратно умножать определенный отрезок ДНК, взятый в минимальном количестве из любой ткани (слюна, ткани музейного экспоната и т. д.). Метод оказался применим для анализа ДНК даже музейных препаратов, например, мозга мумии 7000–летней давности; он пригоден для зафиксированных в формалине и парафине образцов.