Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции
Шрифт:
Глава 2. ДНК
На стене паба «Орел» в Кембридже висит синяя мемориальная доска, установленная в 2003 году в честь пятидесятилетия одного случая, когда разговоры в этом пабе приняли не совсем обычный оборот. Во время обеда 28 февраля 1953 года два завсегдатая «Орла», Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, пришли туда и объявили, что раскрыли тайну жизни. Хотя этот эмоциональный американец и этот разговорчивый британец, отличавшийся малоприятным смехом, временами, должно быть, и напоминали дуэт комиков, на сей раз они были абсолютно серьезны — и наполовину правы. Если считать, что у жизни есть тайна, то эту тайну, несомненно, составляет именно ДНК. Впрочем, Крик и Уотсон, при всех их незаурядных способностях, раскрыли тогда лишь половину этой тайны.
В то утро они разгадали структуру ДНК — двойную спираль. Полученная ими схема стала результатом вдохновенного интеллектуального прорыва, обеспеченного гениальностью, умением строить модели, знанием химии и несколькими позаимствованными без спроса рентгенограммами, и была, по словам Уотсона, «слишком хороша, чтобы быть неправдой». И чем больше они говорили о ней в тот обеденный перерыв, тем больше убеждались в ее правильности. Она была опубликована в номере журнала «Нейчур» от 25 апреля в письме, которое заняло всего одну страницу
ДНК, как известно, составляет основу наших генов, наследственный материал клеток. В ней зашифрованы свойства людей и амеб, грибов и бактерий — всех форм жизни на нашей планете, за исключением некоторых вирусов. Двойная спираль ДНК, в которой две цепочки без конца вьются друг вокруг друга оборот за оборотом, — поистине культовый научный символ. Уотсон и Крик показали, как одна цепочка дополняет другую на молекулярном уровне. Если оторвать их друг от друга, каждая из них может служить матрицей для воссоздания другой, так что из одной спирали получатся две точно таких же. Всякий раз, когда тот или иной организм размножается, он передает копии своей ДНК потомкам. Все, что для этого нужно, — это разделить цепочки и синтезировать две идентичных копии оригинала.
Хотя подробное описание молекулярного механизма этого процесса могло бы вызвать у любого читателя головную боль, лежащий в основе механизма принцип изумительно, потрясающе прост. Генетический код представляет собой последовательность «букв» (их более строгое наименование — «азотистые основания»). Таких букв в ДНК-алфавите всего четыре: А, Т, Г и Ц. Их полные названия — аденин, тимин, гуанин и цитозин, но эти химические термины для нас здесь не важны. Важно то, что в связи с ограничениями, накладываемыми формой молекул ДНК и структурой связей в них, А может образовывать пару только с Т, а Ц — только с Г. Если оторвать цепочки двойной спирали одну от другой, на каждой из них будут рядком торчать неспаренные буквы. С каждой буквой А может связаться только Т, а с каждой буквой Ц — только Г, и так далее. Азотистые основания не только дополняют друг друга, но и испытывают настоящую потребность найти себе пару. Только одно может сделать тусклую химическую жизнь буквы Т светлее — постоянная близость с буквой А. Стоит их совместить, и все их связи запоют в чудесной гармонии. Это химическое явление — настоящий «основной инстинкт», неотъемлемое свойство азотистых оснований. Оно делает из цепочек ДНК нечто большее, чем пассивные матрицы: каждое основание обладает своего рода магнетизмом, притяжением к своему «альтер эго». Стоит разделить цепочки, и они самопроизвольно сольются снова или, если им помешать, смогут послужить матрицами, обладающими неодолимой тягой к соединению с другой «второй половиной», неотличимой от прежней.
Рис. 2.1. Схема соединения азотистых оснований ДНК. Геометрическими особенностями «букв» определяется, что Г связывается только с Ц, а А — только с Т.
Последовательность букв ДНК кажется нескончаемой. Например, в человеческом геноме почти три миллиарда пар азотистых оснований (на научном языке — три гигабазы). Это значит, что если взять по одной из всех хромосом, имеющихся в ядре нашей клетки, общее число букв в них составит почти три миллиарда. Если опубликовать последовательность человеческого генома в виде книг, она заполнит примерно двести томов размером с солидный телефонный справочник. А ведь наш геном — еще далеко не самый большой. Как ни странно, рекордсменом по этому показателю является ничтожная амеба Amoeba dubia, гигантский геном которой содержит 670 гигабаз — примерно в 220 раз больше, чем в нашем геноме. По большей части он, судя по всему, состоит из «мусора» — ДНК-последовательностей, которые вообще ничего не кодируют.
Каждому делению клетки предшествует удвоение (репликация) всей ее ДНК — процесс, занимающий не один час. Человеческое тело состоит из чудовищного количества клеток — пятнадцати миллионов миллионов, и в каждой из них содержится собственная высококачественная копия (на самом деле — даже две копии) одних и тех же молекул ДНК. Чтобы организм каждого из нас развился из единственной оплодотворенной яйцеклетки, двойным спиралям нашей ДНК пришлось разделяться и служить матрицами для достраивания новых цепочек пятнадцать миллионов миллионов раз (и даже гораздо больше, потому что наши клетки все время умирают и замещаются новыми). Точность копирования каждой буквы фантастична: ошибки в их порядке встречаются с частотой всего в один случай на миллиард букв. Для сравнения: переписчику книг, чтобы работать со сходной точностью, понадобилось бы 280 раз переписать всю Библию от начала до конца, прежде чем сделать единственную ошибку. На деле переписчики справлялись со своей работой далеко не столь успешно. Утверждается, что до нашего времени дошло около 24 тысяч рукописных экземпляров Нового Завета, и среди них нет двух одинаковых.
И все же ошибки накапливаются и в ДНК — хотя бы потому, что геном так огромен. Ошибки, при которых одна буква случайно заменяется другой, называют точечными мутациями. Перед каждым делением человеческой клетки можно ожидать появления в каждом наборе хромосом примерно трех подобных мутаций. И чем дольше клетка делится, тем больше в ней накапливается мутаций (это может приводить к развитию болезней, например рака). Мутации могут также передаваться из поколения в поколение. Если из оплодотворенной яйцеклетки развивается женский зародыш, то яйцеклетки нового организма образуются после примерно тридцати циклов деления, и в ходе каждого цикла добавляются новые мутации. У мужского организма дела обстоят еще хуже: для образования сперматозоидов требуется около ста циклов деления, каждый из которых неизбежно вносит свою лепту в груз мутаций. Поскольку производство сперматозоидов продолжается на протяжении всей жизни и включает все больше и больше клеточных циклов, то чем старше мужчина, тем больше мутаций накапливается в его половых клетках. Генетик Джеймс Кроу сформулировал эту закономерность так: наибольшая мутационная угроза здоровью человеческих популяций исходит
от плодовитых стариков. Но даже у среднего ребенка молодых родителей имеется около двухсот новых мутаций, которые у них самих отсутствовали (хотя лишь немногие из этих мутаций могут оказаться вредными) [8] .8
Учитывая, как много возникает новых мутаций, можно задаться вопросом: а почему мы все до сих пор не погибли от их неудержимого накопления? Этот вопрос беспокоит и многих биологов. Если отвечать на него одним словом, то ответ будет «секс». Объяснения отложим до главы 5.
Поэтому, несмотря на необычайную точность копирования ДНК, ее молекулы все-таки меняются. Каждое поколение отличается от предыдущего — не только оттого, что в результате полового процесса гены перемешиваются, но также оттого, что каждый из нас становится носителем новых мутаций. Многие из них представляют собой точечные мутации, о которых мы говорили выше (изменения единственной буквы ДНК), другие бывают намного радикальнее. Порой целые хромосомы лишний раз удваиваются или не могут разойтись при делении клетки, длиннейшие куски ДНК удаляются, вирусы встраивают в хромосомы свою ДНК, а фрагменты хромосом переворачиваются так, что последовательность букв меняется на противоположную. Возможностей таких изменений бесконечно много, хотя наиболее серьезные из них обычно несовместимы с жизнью. Если рассмотреть наш геном на этом уровне, он окажется похожим на яму, кишащую змеями, где змееподобные хромосомы без устали сливаются и разделяются. Роль стабилизирующей силы здесь играет естественный отбор, отсеивающий рождающихся монстров, кроме самых безобидных. ДНК причудливо извивается и меняется, но отбор ее выпрямляет и исправляет. Любые полезные изменения сохраняются, а любые серьезные ошибки или особо вредные изменения приводят к выкидышу — в буквальном смысле. Из вредных мутаций сразу не отсеиваются лишь не столь серьезные, которые могут быть связаны с болезнями, проявляющимися на более поздних этапах жизни.
Меняющиеся последовательности букв в ДНК стоят почти за всем, что можно прочитать в газетах о наших генах. Например, ДНК-дактилоскопия (которую используют для установления отцовства, импичмента президентов, а также уличения преступников — иногда спустя десятки лет после события преступления) основана на различиях в последовательностях ДНК-букв между индивидуумами. Человеческие геномы различаются столь заметно, что ДНК каждого из нас свойственны собственные уникальные «отпечатки». Степень нашей подверженности многим болезням тоже зависит от крошечных различий в ДНК-последовательностях. В среднем люди отличаются друг от друга примерно одной на каждую тысячу букв, так что разница между двумя человеческими геномами составляет 6-ю миллионов однобуквенных отличий — так называемых «снипов» (SNPs, от single nucleotide polymorphisms — однонуклеотидные полиморфизмы). Существование снипов означает, что у всех нас имеются немного разные варианты большинства генов. Хотя большинство снипов почти точно не имеют для нас никаких последствий, некоторые из них связаны с недугами, такими как диабет или болезнь Альцгеймера (однако как они действуют, нам еще не всегда известно).
При всех этих различиях мы все-таки можем пользоваться понятием «человеческий геном»: несмотря на все снипы, 999 букв из каждой тысячи у всех нас все-таки совпадают. На то есть две причины: время и отбор. В эволюционных масштабах не так уж много времени прошло с тех пор, как мы были обезьянами. Более того, зоолог стал бы уверять вас, что мы по-прежнему обезьяны. Предки человека отделились от общего предка с шимпанзе около шести миллионов лет назад и с тех пор накапливали мутации с частотой двести мутаций за поколение. Этого времени хватило лишь на то, чтобы изменить около 1 % нашего генома. При этом предки шимпанзе эволюционировали со сходной скоростью, и теоретически мы могли бы ожидать разницы в 2 %. Но на деле разница несколько меньше: ДНК-последовательности людей и шимпанзе идентичны на 98,6 % [9] . Это связано с постоянным торможением изменений, которое обеспечивает естественный отбор, выбраковывая большинство вредных мутаций. Ясно, что когда многие изменения выбраковываются отбором, оставшиеся будут больше похожи друг на друга, чем были бы, если бы их ничто не сдерживало.
9
Эта цифра относится к сходству ДНК-последовательностей. Помимо изменений в последовательностях ДНК-букв, после расхождения эволюционных линий людей и шимпанзе в их геномах происходили и другие существенные изменения, такие как удаление фрагментов и слияние хромосом. Так что сходство геномов составляет скорее около 95 %. По сравнению с разницей между людьми и шимпанзе, различия между человеческими популяциями ничтожны: генетически мы все на 99,9 % идентичны. Столь скромная изменчивость отражает сравнительно недавно (по-видимому, около ста пятидесяти тысяч лет назад) преодоленное нашими предками «бутылочное горлышко». Все расы современного человечества произошли от небольшой африканской популяции, расселившись по планете в ходе ряда миграционных волн.
Если углубиться еще дальше в прошлое, мы увидим, как эти две силы, время и отбор, действуя вместе, сплели великолепнейший, изысканнейший ковер. Все живое на нашей планете состоит в родстве, и, читая буквы ДНК, можно выяснить, в каком. Сравнивая ДНК-последовательности, можно рассчитать степень нашего родства с любыми другими организмами, от обезьян до сумчатых, рептилий, амфибий, рыб, насекомых, ракообразных, червей, растений, простейших, бактерий — кого угодно. Свойства всех нас определяются последовательностями букв, которые можно точными методами сравнивать друг с другом. У всех нас даже есть общие участки последовательностей — фрагменты, изменение которых сдерживалось общими механизмами отбора, в то время как другие участки изменялись до неузнаваемости. Если прочитать ДНК-последовательность кролика, мы увидим такие же нескончаемые ряды оснований, одни участки которых будут идентичны нашим, другие — отличными от них, и все они будут перемешаны друг с другом, составляя сложный калейдоскоп. То же относится и к чертополоху: кое-где наши с ним ДНК-последовательности идентичны или похожи, но здесь несходные участки будут занимать гораздо больше места, отражая, во-первых, огромный промежуток времени, прошедшего с тех пор, когда жил наш общий предок, а во-вторых, разность образа жизни человека и чертополоха. Впрочем, глубокие основы нашей биохимии остались теми же. Мы все состоим из клеток, работающих сходным образом, и их общие свойства определяются похожими участками ДНК-последовательностей.