Генетика: груз наследственности
Страница истории
Памятной датой в биологии стала весна 1953 года. Исследователи американец Д. Уотсон и англичанин Ф. Крик расшифровали «святая святых» наследственности — ее генетической код. Именно с тех дней людям, далеким от науки, стало известно наименование знаменитой ДНК — дезоксирибонуклеиновой кислоты, идентичной генам, тем таинственным, носителям наследственных признаков, ради которых в науке было не только сломано много копий, но и «наломано дров».
Сообщение ученых о том, что им удалось расшифровать структуру этой большой молекулы, объединило в целое разрозненные до того результаты исследований в биохимии, микробиологии и генетике, проводящихся на протяжении полувека. Что было известно раньше?
Живой организм состоит из миллиардов клеток. Каждая из них, в свою очередь, — сложно устроенная частица, содержащая ядро и цитоплазму. В ядре клетки находятся особые образования, хромосомы, которые включают в себя гены.
У каждого вида животных и растений свой набор хромосом, своей формы и своих размеров. Различны и материальные носители наследственных признаков — гены. У человека в одной клетке их не менее ста тысяч, соединенных в длинные нити.
При этом каждый из нас генетически индивидуален. И еще: практически каждая клетка содержит в себе полный для живого существа набор генов.
Клетки вырабатывают необходимые для жизни организма белки. Как известно, это целый класс сложных химических соединений. Клетки производят свои белки-ферменты, белки-гормоны и др.
Из других белков, как из кирпичей, строятся сами клетки… Если у вас волосы светлые, а глаза голубые — это обусловлено белками, их определенным набором.
А о том, какие белки создавать клеткам, заботятся гены. Они же следят за тем, чтобы при делении клеток новые частицы наследовали потомственные признаки.
Но как это происходит? И какова природа генов? Вот это слегка и прояснилось после открытия Уотсона и Крика. Расшифровав структуру ДНК, они раскрыли конкретную материальную природу носителя наследственности, показали, что ген — это не что иное, как участок молекулы ДНК. Длинные нити этой молекулы свернуты в ядре клетки в очень плотные спирали. Все гены из всех клеток человеческого тела могут уместиться в одном наперстке. А если их размотать и соединить в одну, то «генная нить» протянется до Солнца и обратно более чем четыреста раз!
Чтобы представить строение ДНК, можно вообразить длинную веревочную лестницу, закрученную в виде штопора. Выпрямив ее, мы получим длинные цепи двух чередующихся веществ: сахара и фосфора. Эти цепи составляют костяк молекулы ДНК, их структура никогда не изменяется. Чудесные свойства этой молекулы зависят от «перекладин» лестницы. Каждая «перекладина» состоит их двух частей, причем каждая «полуперекладина» прочно связана только со своей боковиной лестницы, с другой «полуперекладиной» она связана слабо.
В роли половинок «перекладин» выступают молекулы четырех азотистых соединений — аденина (А), цитозина (Ц), тимина (Т) и гуанина (Г). Сочетания этих четырех веществ с костяком дезоксирибонуклеиновой кислоты называют нуклеотидами, с которыми связана специфика генов. В составе отдельных генов сотни нуклеотидов. Порядок названных азотистых веществ внутри гена и составляет его код.
Учеными установлено, что А может соединиться, образуя «перекладины», только с Т, а Ц — только с Г. Таким образом, сочетания А — Т, Т — А, Ц — Г и Г — Ц представляют собой своего рода четырехбуквенный алфавит, с помощью которого и записана наследственная информация. Перед делением клетки лестница распадается на две боковины, каждая со своей «полуперекладиной». Нуклеотиды А отделяются от нуклеотидов Т, а нуклеотиды Ц — от нуклеотидов Г наподобие того, как расходятся зубцы застежки-«молнии».
В клетке постоянно свободно плавают нуклеотиды, и они, соединяясь с разделившимися частями «Лестницы», вновь образуют целые. Так, клетка из одной «лестницы» ДНК создает две «лестницы»- абсолютные копии первой.
Теперь она может приступить к своему делению: две одинаковые «лестницы», оказавшиеся в двух клетках, обеспечат их тождество.
Таким же путем в клетке создаются тысячи разных белков. Каждый ген — определенный участок длинной нити ДНК — содержит «инструкции» о производстве одного какого-либо белка. Эти «инструкции» закодированы определенной последовательностью в расположении нуклеотидов в нити
Используя всего четыре нуклеотида ДНК, природа создает бесконечное разнообразие жизни.
Так было пересмотрено прежнее понятие гена как неделимой частицы. И структурно, и биохимически он оказался сложной системой. Новейшие исследования открыли в клетке, в пределах гена и в их комплексе (генотипе) новый, громадной сложности микромир.
Понятие гена наполнилось физиологическим и биохимическим содержанием, было показано, что код гена, т. е. его молекулярная структура, программирует в клетке синтез белков. Это программирование имеет сложный характер… Сами гены в каждом клеточном поколении самоудваиваются, в чем важную роль играют белки в виде специальных ферментов. Путем такой ауторепродукции для каждой новой клетки гены строятся заново из азотистых оснований и других веществ, синтезируемых в цитоплазме. Все это вовлекает гены в обмен веществ и подвергает их действию факторов внешней среды. В результате гены, эти блоки генетической информации, претерпевают бесконечные изменения (мутации) на основе преобразования их молекулярного строения.
Открытие материальной природы гена отразило в себе единство органического мира. Молекулы ДНК оказались тем веществом, в котором записана генетическая информация почти всех живых существ на Земле. Хранитель «ключей жизни» и главный «дирижер внутриклеточного оркестра», ДНК заключает в себе код, который любая клетка использует для своего воспроизведения. Человек и насекомое, полевой цветок и бактерия — все они «родственники» по ДНК.
Весной 2000 г. в мире разразилась сенсация: геном человека, о котором столько говорили ученые, наконец, полностью расшифрован. Это сообщение застало врасплох все мировое научное сообщество. Ведь создание карты генетического кода ожидалось не ранее 2005 года. По значимости это открытие приравнивается к полету человека на Луну или созданию водородной бомбы: оно может стать не только панацеей от всех болезней и средством для создания эликсира молодости, но и миной замедленного действия, способной погубить человечество.
Международный проект «Геном человека» (НСР) стартовал в 1990 году по инициативе американского правительства. В его работе принимают участие исследователи со всех уголков земного шара: Англии, Франции, Японии, США, Германии и многих других. Первоначально предполагалось, что расшифрованный геном они получат не раньше, чем через 15-20 лет. По мере продвижения работ эту дату несколько раз переносили. В конце марта руководитель проекта Фрэнсис Коллинс заявил, что работа будет завершена в мае или начале июня этого года. Но параллельно подобные работы велись и в частных биотехнологических компаниях. «Селера Геномикс» (Роквилл, штат Мэриленд) под руководством Крейга Вентера приступила к работе на 9 лет позже — в сентябре 1999 года. И именно компании «Селера», главному конкуренту НОР, удалось первой прочитать генетический код одного человека.
Работу «Селера Геномикс» планирует завершить в течение месяца. Для этих целей будет использован суперкомпьютер, самый мощный в мире из тех, что находятся в распоряжении частных компаний. Считается, что генома одного человека недостаточно для полного отображения обобщенного генома хомо сапиенс, поэтому компания собирается изучить гены пяти человек разных рас. Исследования будут несколько раз дублированы, чтобы убедиться в надежности и правильности полученных данных.
Установление последовательности генов – это первый шаг в понимании генома человека. Ведь представления о функциях установленных генов, а всего лишь демонстрируют порядок, в котором следуют нуклеотиды. Могут потребоваться годы, прежде чем появятся осязаемые результаты в виде новых лекарств или вакцин.
Груз наследственности
Наследственные болезни… Еще совсем недавно они были, что называется, судьбой человека. Успехи медицинской генетики потеснили судьбу. Во многих случаях врачи могут теперь повлиять на такие заболевания. Анализ крови, исследование околоплодной жидкости, другие методы позволяют своевременно поставить диагноз. Специальное лечение смягчает тяжесть болезни.
Среди наследственных известны болезни, связанные с нарушениями в наборе хромосом. Нормально у человека содержится двадцать три пары хромосом. Недостаток или избыток их, поломка, изменения в структуре влекут за собой наследственные страдания. Недостаток хромосом в двадцать первой или двадцать второй паре в клетках крови часто ведет к злокачественному белокровию. При болезни Дауна ребенок резко отстает в умственном развитии, а вся причина в одной лишней хромосоме в двадцать первой паре...
Изменения, возникающие в генах и хромосомах, называют мутациями. Они могут передаваться из поколения в поколение и обусловливать наследственные пороки развития и заболевания. Хромосомные мутации у человека, как правило, вызывают тяжелые пороки развития. Наследственные болезни в основном — результат нарушений, возникающих в генах. Статистика английских, американских и канадских исследователей свидетельствует о том, что более половины слепых и примерно пятьдесят процентов глухих страдают от тяжкого груза наследственности. По данным американской печати, несколько миллионов человек в Соединенных Штатах Америки страдают наследственными болезнями.
Многие гены передают наследственные признаки только одному полу. Тяжелая наследственная болезнь гемофилия, при которой кровь теряет способность к свертыванию, проявляется у мужчин, но наследственные носители ее — женщины. При мутациях могут появляться новые наследственные признаки — не от рекомбинации генов (т. е. перегруппировки при сочетании отцовских и материнских признаков), а благодаря каким-либо внешним воздействиям – химическим, радиационным и другим.
Теперь, когда стало известно, что гены можно создавать искусственно, перед врачами-генетиками открываются совершенно новые, необозримые перспективы. „Если бы мне несколько лет назад задали вопрос, можно ли вылечить больного с дефектными генами,- говорит известный французский биохимик профессор Ж. Крю,- я ответил бы, что это немыслимо. Единственное средство лечения, какое можно было себе представить — это введение больному недостающего фермента, что также по многим причинам невозможно. В подобных случаях обычно ограничиваются тем, что прописывают такой режим питания, который позволяет избежать накопления токсичных соединений. А теперь появился новый путь борьбы с такими заболеваниями. Вирусологические методы позволяют вводить тот или иной ген в состав наследственного материала вируса: вирусом заражают бактерию, и он захватывает один из ее генов. Можно сделать так, чтобы вирус захватил тот самый ген, которого не хватает больному. Потом этим вирусом заразят больного. Некоторые вирусы, проникая в клетки организма, включают свой генетический материал в генофонд этих клеток. Так больному будет введен ген, от которого зависит выработка недостающего фермента“.
Американским исследователям удалось вылечить больную клетку человека, который руководит синтезом фермента, необходимого для жизнедеятельности клетки. Клетка выздоровела.
Среди наследственных болезней известна так называемая галактоземия. Клетки больного теряют способность перерабатывать составную часть молочного сахара – галактозу. Исследователи проделали „операцию“: пересадили в такую клетку гены от бактерий, для которых галактоза является основной пищей. Клетка поправилась. Пока таким путем излечили одну клетку, однако, не трудно видеть, какое блестящее будущее открывает перед медицинской генетикой это достижение. Но здесь нам необходимо поговорить совсем о другой стороне генной инженерии.
Чего нам ждать?
Полная информация о геноме человека перевернет все наши представления о нашем организме и полностью изменит лицо медицины. По прогнозам специалистов, уже к концу первого десятилетия XXI века на смену привычным прививкам придут генетические вакцины, и медики получат возможность навсегда покончить с такими неизлечимыми болезнями, как рак, болезнь Альцгеймера, диабет, астма. Это направление уже имеет свое название — генотерапия. Она родилась всего лишь пять лет назад. Но вскоре может… умереть: благодаря генодиагностике примерно в 2020 году на свет будут появляться исключительно здоровые дети: уже на эмбриональной стадии развития плода генетики смогут исправлять наследственные неполадки. И это еще не предел.
Ученые прогнозируют, что в 2050 году будут попытки по усовершенствованию человеческого вида. К этому времени они научатся проектировать людей определенной специализации: математиков, физиков, художников, поэтов, а может быть, и гениев. А уже ближе к концу века, наконец, исполнится мечта человека: процессом старения, несомненно, можно будет управлять, а там недалеко и до бессмертия.
Не превратят ли нас вакцины в монстров?
Это опасение, и серьезное, высказывают уже многие ученые. В экспериментах с молекулами ДНК исследователи создают новые микрообразования, искусственные микроорганизмы. А где гарантия, что не появятся существа, опасные для человека и, главное, способные выйти из под контроля творцов.
Мысль о подобных искусственных микроорганизмах, случайно вырвавшихся на свободу, совсем не беспочвенна. К примеру, чужеродный ген, внесенный в обычную бактерию, может создать совершенно новый организм с опасными свойствами.
Исследователи часто используют бактерии типа кишечной палочки. Кто поручится, что новые молекулы, введенные в эти бактерии, не смогут широко распространиться на все живое — людей, животных, растения? Особое беспокойство таили эксперименты по созданию бактерий, устойчивых к антибиотикам, опыты с вирусами, вызывающими злокачественные опухоли.
Правда, многие биологи полагают, что благодаря тщательно разработанным правилам вероятность биологических катастроф составляет менее одного шанса на миллион. Эти правила запрещают наиболее опасные эксперименты с ДНК. Кроме того, недавно выведены бактерии, которые не могут существовать вне питательной среды в лаборатории.
Однако вопросы остаются. Мы вторгаемся в мир, полный неизвестного, неожиданного и загадочного. Последствия вторжения далеко не ясны. Поэтому биологам сегодня приходится думать не только о том, что они могут сделать, но и том, что они могут позволить себе сделать.
Особую остроту этот вопрос приобретает в экспериментах с человеком. Серьезность проблемы такова, что в 1974 году биологи почти единодушно согласились прекратить некоторые эксперименты по созданию гибридных молекул ДНК до созыва специального международного совещания. Правда, вскоре споры закончились тем, что временный запрет был снят. Исследователи договорились о необходимости соблюдать строгие меры предосторожности при проведении экспериментов. Была разработана трехступенчатая система безопасности. Все эксперименты разделены на умеренно опасные, опасные и очень опасные. Соответственно этому должны соблюдать и меры предосторожности.
Чтобы предотвратить распространение опасно измененных бактерий или плазмид (молекул ДНК, размножающихся в бактериях) через человека, биологи согласились проводить свои эксперименты на таких бактериях, которые погибают при температуре выше тридцати шести градусов Цельсия.
Согласно протоколу по биобезопасности, который был принят в январе этого года в Монреале, использование генетически модифицированных вакцин будет регулироваться отдельными документами в связи с непредсказуемыми последствиями при их применении. Опасения ученых вызывают «живые» вирусы, на основе которых сделаны генвакцины, потому что неизвестно, какое влияние они окажут на организм человека. К тому же вирусы способны сливаться со своими собратьями, так что в результате могут образоваться такие гибриды, что СПИД покажется детской игрушкой. Между тем «съедобные» чудо-вакцины уже существуют — это генетически модифицированные продукты: соя, кукуруза, картофель, рис, в геном которых имплантируются молекулярные фрагменты лекарственных веществ. Их предлагают для применения, хотя последствия такой вакцинации неизвестны, но медициной они не запрещены.
Генная терапия тоже не безобидна. Подобное лечение проводят только в экспериментах, для неизлечимо больных добровольцев.
В прошлом году в Соединенных Штатах в Пенсильванском университете из-за введенного в организм инородного гена умер подросток, после чего финансирование исследований было приостановлено.
Другая опасность заключается в том, что генетическая информация о человеке может породить совершенно новый вид дискриминации — по «генетическим» признакам. Страховые компании станут оплачивать лечение в основном генетически здоровых людей, а остальным придется платить либо очень высокие взносы, либо страховка им вообще окажется недоступной.
Генетический код может стать определяющим критерием при приеме на работу, а генетические тесты станут обязательной процедурой при заключении браков. И пока ни в одной стране мира не существует законов, защищающих секретность этих индивидуальных данных.
Даже научные прогнозы не в состоянии охватить весь спектр проблем, которые могут возникнуть после проникновения в одну из самых многообещающих тайн природы. Чем обернется для человечества проект века — неизвестно — Член-корреспондент РАН Лев Киселев в интервью РИА «Новости» сказал: «Расшифровка генома — это не конец, а начало, теперь нас ждут неожиданности».
Список литературы
В. Мезенцев, Энциклопедия чудес, Алма-Ата, 1990
С. Хаблицкая, Открытие века: геном жизни или смерти?, «Комсомольская правда», апрель 2000
Наследственность и гены, «Наука и жизнь», март 1999
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта study.online.ks.ua/