Страница истории
Памятной датой вбиологии стала весна 1953 года. Исследователи американец Д. Уотсон и англичанинФ. Крик расшифровали «святая святых» наследственности — ее генетической код.Именно с тех дней людям, далеким от науки, стало известно наименованиезнаменитой ДНК — дезоксирибонуклеиновой кислоты, идентичной генам, темтаинственным, носителям наследственных признаков, ради которых в науке было нетолько сломано много копий, но и «наломано дров».
Сообщение ученых отом, что им удалось расшифровать структуру этой большой молекулы, объединило вцелое разрозненные до того результаты исследований в биохимии, микробиологии игенетике, проводящихся на протяжении полувека. Что было известно раньше?
Живой организмсостоит из миллиардов клеток. Каждая из них, в свою очередь, — сложноустроенная частица, содержащая ядро и цитоплазму. В ядре клетки находятсяособые образования, хромосомы, которые включают в себя гены.
У каждого видаживотных и растений свой набор хромосом, своей формы и своих размеров. Различныи материальные носители наследственных признаков — гены. У человека в однойклетке их не менее ста тысяч, соединенных в длинные нити.
При этом каждый изнас генетически индивидуален. И еще: практически каждая клетка содержит в себеполный для живого существа набор генов.
Клетки вырабатываютнеобходимые для жизни организма белки. Как известно, это целый класс сложныххимических соединений. Клетки производят свои белки-ферменты, белки-гормоны идр.
Из других белков,как из кирпичей, строятся сами клетки… Если у вас волосы светлые, а глазаголубые — это обусловлено белками, их определенным набором.
А о том, какие белкисоздавать клеткам, заботятся гены. Они же следят за тем, чтобы при деленииклеток новые частицы наследовали потомственные признаки.
Но как этопроисходит? И какова природа генов? Вот это слегка и прояснилось после открытияУотсона и Крика. Расшифровав структуру ДНК, они раскрыли конкретнуюматериальную природу носителя наследственности, показали, что ген — это не чтоиное, как участок молекулы ДНК. Длинные нити этой молекулы свернуты в ядреклетки в очень плотные спирали. Все гены из всех клеток человеческого теламогут 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, можновообразить длинную веревочную лестницу, закрученную в виде штопора. Выпрямивее, мы получим длинные цепи двух чередующихся веществ: сахара и фосфора. Этицепи 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» прочносвязана только со своей боковиной лестницы, с другой «полуперекладиной» онасвязана слабо.
В роли половинок«перекладин» выступают молекулы четырех азотистых соединений — аденина (А),цитозина (Ц), тимина (Т) и гуанина (Г). Сочетания этих четырех веществ скостяком дезоксирибонуклеиновой кислоты называют нуклеотидами, с которымисвязана специфика генов. В составе отдельных генов сотни нуклеотидов. Порядокназванных 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 своегорода четырехбуквенный алфавит, с помощью которого и записана наследственнаяинформация. Перед делением клетки лестница распадается на две боковины, каждаясо своей «полуперекладиной». Нуклеотиды А отделяются от нуклеотидов Т, ануклеотиды Ц — от нуклеотидов Г наподобие того, как расходятся зубцызастежки-«молнии».
В клеткепостоянно свободно плавают нуклеотиды, и они, соединяясь с разделившимисячастями «Лестницы», вновь образуют целые. Так, клетка из одной «лестницы»ДНК создает две «лестницы»- абсолютные копии первой.
Теперь она можетприступить к своему делению: две одинаковые «лестницы», оказавшиеся в двух клетках,обеспечат их тождество.
Таким же путем вклетке создаются тысячи разных белков. Каждый ген — определенный участокдлинной нити ДНК — содержит «инструкции» о производстве одного какого-либобелка. Эти «инструкции» закодированы определенной последовательностью врасположении нуклеотидов в нити
Используя всегочетыре нуклеотида ДНК, природа создает бесконечное разнообразие жизни.
Так былопересмотрено прежнее понятие гена как неделимой частицы. И структурно, ибиохимически он оказался сложной системой. Новейшие исследования открыли вклетке, в пределах гена и в их комплексе (генотипе) новый, громадной сложностимикромир.
Понятие генанаполнилось физиологическим и биохимическим содержанием, было показано, что кодгена, т. е. его молекулярная структура, программирует в клетке синтез белков.Это программирование имеет сложный характер… Сами гены в каждом клеточномпоколении самоудваиваются, в чем важную роль играют белки в виде специальныхферментов. Путем такой ауторепродукции для каждой новой клетки гены строятсязаново из азотистых оснований и других веществ, синтезируемых в цитоплазме. Всеэто вовлекает гены в обмен веществ и подвергает их действию факторов внешнейсреды. В результате гены, эти блоки генетической информации, претерпеваютбесконечные изменения (мутации) на основе преобразования их молекулярногостроения.
Открытиематериальной природы гена отразило в себе единство органического мира. МолекулыДНК оказались тем веществом, в котором записана генетическая информация почтивсех живых существ на Земле. Хранитель «ключей жизни» и главный «дирижервнутриклеточного оркестра», ДНК заключает в себе код, который любая клеткаиспользует для своего воспроизведения. Человек и насекомое, полевой цветок ибактерия — все они «родственники» по ДНК.
Весной 2000 г. в мире разразиласьсенсация: геном человека, о котором столько говорили ученые, наконец, полностьюрасшифрован. Это сообщение застало врасплох все мировое научное сообщество.Ведь создание карты генетического кода ожидалось не ранее 2005 года. По значимостиэто открытие приравнивается к полету человека на Луну или созданию водороднойбомбы: оно может стать не только панацеей от всех болезней и средством длясоздания эликсира молодости, но и миной замедленного действия, способнойпогубить человечество.
Международный проект «Геном человека»(НСР) стартовал в 1990 году по инициативе американского правительства. В егоработе 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 мерепродвижения работ эту дату несколько раз переносили. В конце мартаруководитель проекта Фрэнсис Коллинс заявил, что работа будет завершена в маеили начале июня этого года. Но параллельно подобные работы велись и в частныхбиотехнологических компаниях. «Селера Геномикс» (Роквилл, штат Мэриленд) подруководством Крейга Вентера приступила к работе на 9 лет позже — в сентябре1999 года. И именно компании «Селера», главному конкуренту НОР, удалось первойпрочитать генетический код одного человека.
Работу «Селера Геномикс» планируетзавершить 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 отображенияобобщенного генома хомо сапиенс, поэтому компания собирается изучить гены пятичеловек разных рас. Исследования будут несколько раз дублированы, чтобыубедиться в надежности и правильности полученных данных.
Установление последовательности генов –это первый шаг в понимании генома человека. Ведь представления о функцияхустановленных генов, а всего лишь демонстрируют порядок, в котором следуютнуклеотиды. Могут потребоваться годы, прежде чем появятся осязаемые результатыв виде новых лекарств или вакцин.
Груз наследственности
Наследственные болезни… Еще совсемнедавно они были, что называется, судьбой человека. Успехи медицинской генетикипотеснили судьбу. Во многих случаях врачи могут теперь повлиять на такиезаболевания. Анализ крови, исследование околоплодной жидкости, другие методыпозволяют своевременно поставить диагноз. Специальное лечение смягчает тяжестьболезни.
Среди наследственных известны болезни,связанные с нарушениями в наборе хромосом. Нормально у человека содержится двадцать три пары хромосом. Недостаток или избыток их, поломка, изменения вструктуре влекут за собой наследственные страдания. Недостаток хромосом вдвадцать первой или двадцать второй паре в клетках крови часто ведет кзлокачественному белокровию. При болезни Дауна ребенок резко отстает вумственном развитии, а вся причина в одной лишней хромосоме в двадцать первойпаре...
Изменения, возникающие в генах ихромосомах, называют мутациями. Они могут передаваться из поколения в поколениеи обусловливать наследственные пороки развития и заболевания. Хромосомныемутации у человека, как правило, вызывают тяжелые пороки развития.Наследственные болезни в основном — результат нарушений, возникающих в генах.Статистика английских, американских и канадских исследователей свидетельствуето том, что более половины слепых и примерно пятьдесят процентов глухих страдаютот тяжкого груза наследственности. По данным американской печати, несколькомиллионов человек в Соединенных Штатах Америки страдают наследственнымиболезнями.
Многие гены передают наследственныепризнаки только одному полу. Тяжелая наследственная болезнь гемофилия, прикоторой кровь теряет способность к свертыванию, проявляется у мужчин, но наследственныеносители ее — женщины. При мутациях могут появляться новые наследственныепризнаки — не от рекомбинации генов (т. е. перегруппировки при сочетанииотцовских и материнских признаков), а благодаря каким-либо внешним воздействиям– химическим, радиационным и другим.
Теперь, когда стало известно, что геныможно создавать искусственно, перед врачами-генетиками открываются совершенноновые, необозримые перспективы. „Если бы мне несколько лет назад задаливопрос, можно ли вылечить больного с дефектными генами,- говорит известныйфранцузский биохимик профессор Ж. Крю,- я ответил бы, что это немыслимо.Единственное средство лечения, какое можно было себе представить — это введениебольному недостающего фермента, что также по многим причинам невозможно. Вподобных случаях обычно ограничиваются тем, что прописывают такой режимпитания, который позволяет избежать накопления токсичных соединений. А теперьпоявился новый путь борьбы с такими заболеваниями. Вирусологические методыпозволяют вводить тот или иной ген в состав наследственного материала вируса:вирусом заражают бактерию, и он захватывает один из ее генов. Можно сделатьтак, чтобы вирус захватил тот самый ген, которого не хватает больному. Потомэтим вирусом заразят больного. Некоторые вирусы, проникая в клетки организма,включают свой генетический материал в генофонд этих клеток. Так больному будетвведен ген, от которого зависит выработка недостающего фермента“.
Американским исследователям удалосьвылечить больную клетку человека, который руководит синтезом фермента,необходимого для жизнедеятельности клетки. Клетка выздоровела.
Среди наследственных болезней известна такназываемая галактоземия. Клетки больного теряют способность перерабатыватьсоставную часть молочного сахара – галактозу. Исследователи проделали»операцию": пересадили в такую клетку гены от бактерий, для которыхгалактоза является основной пищей. Клетка поправилась. Пока таким путемизлечили одну клетку, однако, не трудно видеть, какое блестящее будущееоткрывает перед медицинской генетикой это достижение. Но здесь нам необходимопоговорить совсем о другой стороне генной инженерии.
Чего нам ждать?
Полная информация о геноме человекаперевернет все наши представления о нашем организме и полностью изменит лицомедицины. По прогнозам специалистов, уже к концу первого десятилетия XXI векана смену привычным прививкам придут генетические вакцины, и медики получатвозможность 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 будутпоявляться исключительно здоровые дети: уже на эмбриональной стадии развитияплода генетики смогут исправлять наследственные неполадки. И это еще не предел.
Ученые прогнозируют, что в 2050 году будутпопытки 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 будетуправлять, а там недалеко и до бессмертия.
Не превратят ли нас вакцины в монстров?
Это опасение, и серьезное, высказывают ужемногие ученые. В экспериментах с молекулами ДНК исследователи создают новыемикрообразования, искусственные микроорганизмы. А где гарантия, что не появятсясущества, опасные для человека и, главное, способные выйти из под контроля творцов.
Мысль о подобных искусственныхмикроорганизмах, случайно вырвавшихся на свободу, совсем не беспочвенна. Кпримеру, чужеродный ген, внесенный в обычную бактерию, может создать совершенноновый организм с опасными свойствами.
Исследователи часто используют бактериитипа кишечной палочки. Кто поручится, что новые молекулы, введенные в этибактерии, не смогут широко распространиться на все живое — людей, животных,растения? Особое беспокойство таили эксперименты по созданию бактерий,устойчивых к антибиотикам, опыты с вирусами, вызывающими злокачественныеопухоли.
Правда, многие биологи полагают, чтоблагодаря тщательно разработанным правилам вероятность биологических катастрофсоставляет менее одного шанса на миллион. Эти правила запрещают наиболее опасныеэксперименты с ДНК. Кроме того, недавно выведены бактерии, которые не могутсуществовать вне питательной среды в лаборатории.
Однако вопросы остаются. Мы вторгаемся вмир, полный неизвестного, неожиданного и загадочного. Последствия вторжениядалеко не ясны. Поэтому биологам сегодня приходится думать не только о том, чтоони могут сделать, но и том, что они могут позволить себе сделать.
Особую остроту этот вопрос приобретает вэкспериментах с человеком. Серьезность проблемы такова, что в 1974 году биологипочти единодушно согласились прекратить некоторые эксперименты по созданиюгибридных молекул ДНК до созыва специального международного совещания. Правда,вскоре споры закончились тем, что временный запрет был снят. Исследователидоговорились о необходимости соблюдать строгие меры предосторожности припроведении экспериментов. Была разработана трехступенчатая системабезопасности. Все эксперименты разделены на умеренно опасные, опасные и оченьопасные. Соответственно этому должны соблюдать и меры предосторожности.
Чтобы предотвратить распространение опасноизмененных бактерий или плазмид (молекул ДНК, размножающихся в бактериях) черезчеловека, 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 генетическимодифицированных вакцин будет регулироваться отдельными документами в связи снепредсказуемыми 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 способнысливаться со своими собратьями, так что в результате могут образоваться такиегибриды, 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 фрагментылекарственных веществ. Их предлагают для применения, хотя последствия такойвакцинации неизвестны, но медициной они не запрещены.
Генная терапия тоже не безобидна. Подобноелечение проводят только в экспериментах, для неизлечимо больных добровольцев.
В прошлом году в Соединенных Штатах вПенсильванском университете из-за введенного в организм инородного гена умерподросток, после чего финансирование исследований было приостановлено.
Другая опасность заключается в том, чтогенетическая информация о человеке может породить совершенно новый виддискриминации — по «генетическим» признакам. Страховые компании станутоплачивать лечение в основном генетически здоровых людей, а остальным придетсяплатить либо очень высокие взносы, либо страховка им вообще окажетсянедоступной.
Генетический код может стать определяющимкритерием при приеме на работу, а генетические тесты станут обязательнойпроцедурой при заключении браков. И пока ни в одной стране мира не существуетзаконов, защищающих секретность этих индивидуальных данных.
Даже научные прогнозы не в состоянииохватить весь спектр проблем, которые могут возникнуть после проникновения водну из самых многообещающих тайн природы. Чем обернется для человечествапроект века - неизвестно — Член-корреспондент РАН Лев Киселев в интервью РИА«Новости» сказал: «Расшифровка генома — это не конец, а начало, теперь нас ждутнеожиданности».
Список литературы
В. Мезенцев, Энциклопедия чудес, Алма-Ата,1990
С. Хаблицкая, Открытие века: геном жизниили смерти?, «Комсомольская правда», апрель 2000
Наследственность и гены, «Наука и жизнь»,март 1999
Для подготовки данной работы былииспользованы материалы с сайта study.online.ks.ua/