Эллен Шелл - Голодный ген

В Джексоновской лаборатории Дуглас занялся сравнительно новой областью биохимической генетики — изучением того, каким образом генетическая информация трансформируется в белки. Известно, что они строятся из эталонных генов, а гены — из ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Прошли годы с тех пор, как Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик впервые описали ее структуру — двойную спираль, но Колеман прекрасно помнит это событие, которое произошло в 1953 г., когда он лишь недавно получил степень бакалавра. А почти за столетие до того неприметный моравский монах Грегор Иоганн Мендель опубликовал результаты опытов с семенным горошком и установил непререкаемые правила генетического наследования, продемонстрировав, что наследуемые признаки определяет пара «факторов» (позже переименованных в «гены»).

Мендель обнаружил, что некоторые из признаков — доминантные — проявляются в каждом поколении, а другие — рецессивные, подавленные — обнаруживаются только в том случае, если потомок наследует два таковых — отцовский и материнский. Открытия Менделя были ошеломляющими, но далеко обгоняющими время — и потому научный мир не удостоил их особым вниманием. Как спят до весны зерна озимой пшеницы, так и генетика, по существу, оставалась дремлющей наукой до 1900 г. На исходе XIX века трое ботаников почти одновременно вновь открыли генетические законы, а британский последователь Менделя биолог Уильям Бэтсон (Бейтсон) опубликовал их. Несколько лет спустя английский медик Арчибальд Гаррод предположил, что в каждом гене заложен химический способ создания одного-единственного белка. Он пришел к этому простому, но удивительно мудрому заключению, наблюдая за течением алькаптонурии, редкого заболевания средней тяжести, приводящего к потемнению мочи и развитию артрита. Оно возникает, когда организм не способен самостоятельно избавляться от вещества, называемого гомогентизиновой кислотой. Гаррод убедился, что алькаптонурия передается из поколения в поколение по менделевским правилам наследования рецессивных признаков. Из этого он сделал справедливый вывод: у его пациентов, получивших два рецессивных гена, существует некое наследственное отклонение от нормы, великолепно описанное им как «врожденная ошибка метаболизма». В 1908 г. в ходе знаменитых лекций в Королевском медицинском колледже Гаррод высказал мнение, что причиной алькаптонурии является отсутствие особого фермента, белкового катализатора, который помогает организму разрушать и выводить гомогентизиновую кислоту. Некоторые другие заболевания, такие, например, как альбинизм, могли, по мнению Гаррода, иметь схожий механизм развития. Последовало заключение: между генами и белками существует определенная взаимосвязь, вписывающаяся в рамки теории Менделя.

Этим мыслям предстояло еще сыграть важную роль, но, как и менделевские, они слишком забегали вперед, чтобы быть воспринятыми тогдашней наукой. Только в 1941 г. американцы Джордж Уэлс Бидл и Эдуард Тейтем (Татум) развили догадку Гаррода и сформулировали принцип «один ген — один фермент», объясняющий, каким образом генетическая информация превращается в белки. Еще три года спустя, в 1944 г., после долгих и нередко язвительных дискуссий ученые окончательно сошлись на том, что в основе генов лежат ДНК, необычно простые молекулы, включающие в себя сахар, фосфат и четыре основания нуклеиновых кислот: аденин, цитозин, гуанин и тимин — А, Ц, Г и Т соответственно. Не прошло и десяти лет, как удалось открыть первичную структуру ДНК — иконическую (повторяющуюся) двойную спираль. Благодаря этому открытию Уотсон и Крик смогли уточнить, как молекула передает «указания» из поколения в поколение. Исследователи пришли к выводу, что синтез белков зависит от последовательности нуклеиновых оснований — А, Ц, Г и Т — в ДНК. В человеческом геноме три миллиарда этих букв, которые складываются в извитые, как спагетти, цепочки ДНК, образующие в конечном счете от 30 до 40 тыс. генов. Эти такие хрупкие с виду цепочки ДНК составляют 23 пары хромосом, определяющих совокупность наших индивидуальных свойств.

Геном человека можно сравнить с энциклопедией, состоящей из 23 томов — 23 пар хромосом. Каждый том включает в себя несколько тысяч статей (генов), а каждая статья — множество параграфов, содержащих тысячи слов, которые записаны в виде трехбуквенных «кодонов». В начале 1970-х гг. Дуг Колеман и сотни других пытливых умов пробовали расшифровать смысл многотомного издания. Молекулярные биологи хотели постичь, о каких именно признаках несут информацию те или иные сочетания А, Ц, Г и Т.

Генетический код в целом — геном — часто воспринимают как готовый план действий, который непременно должен быть выполнен. Однако это не совсем так. В действительности геном всего лишь набор возможностей. В генах действительно содержится вся необходимая информация, но, как показали исследования, отсюда еще не следует, что она будет должным образом использована. И это не абстрактный софизм, а серьезный практический вопрос. Ввиду того что факторами окружающей среды гены могут приводиться в действие или, наоборот, блокироваться, «генетическая программа» не является чем-то неизменным. Чтобы электрическая лампочка загорелась, ее нужно включить; чтобы ген заработал и начал преобразовываться в белок, должна произойти его экспрессия. Но это имеет место далеко не всегда. Вероятность того, что ген физически проявится в конечном организме, называется пенетрантностью, и она варьируется в каждом конкретном случае, в каждом конкретном организме. Неэкспрессированные гены не значимы для нашего развития. Именно поэтому однояйцовые близнецы, «сделанные» из абсолютно сходного генетического материала, никогда не бывают полностью идентичными: у них экспрессируются разные группы генов. Потому же не у всех обладателей общего специфического гена имеются физические признаки, с ним связанные. Так, по меньшей мере 20 % женщин, несущих в своем организме страшнейший ген рака молочной железы, счастливым образом избегают канцера.

Генетический материал — фундамент. На нем возводится здание жизни, и успех строительства зависит от множества условий. Ошибки в коде — например, замена Г на А, отсутствие каких-либо букв или наличие дополнительных — могут иметь самые печальные последствия. Так из-за ничтожной оговорки или опечатки смысл слова и даже фразы порой меняется чуть ли не на противоположный.

На первых порах Колеман изучал ошибки в генетическом коде, влекущие за собой не ожирение, а мышечную дистрофию, заболевание, при котором происходит значительная потеря мышечной массы. Поначалу исследование проводилось на мышах, как и большинство научных изысканий в Джексоновской лаборатории. Это научное учреждение всегда было и остается по сию пору своеобразным мышиным ранчо, где множатся грызуны — и самые обычные, и просто-таки фантастические. Их разводят в 47 «мышиных домах», питомниках, разбросанных по всему Бар-Харбору; на сегодняшний день тут насчитывается 2 500 особей различных пород.