Молекулярно-генетический уровень

Все живые организмы имеют в своем составе простые неорганические молекулы: азот, воду, двуокись углерода. Из них в ходе химической эволюции появились простые органические соединения, послужившие, в свою очередь, строительным материалом для более крупных молекул. Так появились макромолекулы -— гигантские молекулы (полимеры), построенные из множества мономеров. Существуют три типа полимеров: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Мономерами для них служат, соответственно, моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды. Белки и нуклеиновые кислоты являются «информационными» молекулами, так как в их строении важную роль играет последовательность мономеров, которая может быть весьма разнообразной. Полисахариды играют роль источника энергии и строительного материала для синтеза более крупных молекул. К ним относятся: крахмал, гликоген, целлюлоза.

Белки -— это макромолекулы, очень длинные цепи из аминокислот, которые представляют собой органические (карбоновые) кислоты, содержащие, как правило, одну или две аминогруппы (-NH₂). В растворах аминокислоты способны проявлять свойства как кислот, так и оснований. Это делает их своеобразным буфером на пути опасных физико-химических изменений. Они образуют широкий ряд химических связей с различными реакционно-способными группами, что существенно для структуры и функций белков. В живых клетках и тканях встречается свыше 170 аминокислот, но в состав белков их входит только 20. Именно последовательность аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями, образует первичную структуру белков. На долю белков приходится свыше 50% от общей сухой массы клеток.

Большинство белков выполняет функцию катализаторов (ферментов). В их пространственной структуре есть активные центры в виде углублений определенной формы. В такие центры попадают молекулы, превращение которых катализируется данным белком. Также белки играют роль переносчиков: например, гемоглобин переносит кислород от легких к тканям. Мышечные сокращения и внутриклеточные движения -— результат взаимодействия молекул белков, функция которых заключается в координации движения. Есть белки -— антитела, функцией которых является защита организма от вирусов и бактерий. Активность нервной системы зависит от белков, с помощью которых собирается и хранится информация из окружающей среды. Белки, которые называются гормонами, управляют ростом клеток и их активностью.

Процессы жизнедеятельности живых организмов определяются взаимодействием двух видов макромолекул -— белков и ДНК. Генетическая информация организма хранится в молекулах ДНК. Она служит для зарождения следующего поколения и производства белков, контролирующих почти все биологические процессы. Поэтому нуклеиновым кислотам принадлежит такое же важное место в организме, как и белкам. Кроме того, как белки, так и нуклеиновые кислоты обладают одним очень важным свойством -— молекулярной дисимметрией (асимметрией), или молекулярной хиральностью. Это свойство жизни было открыто еще в 40 —- 50-е годы XIX в. Л. Пастером в ходе исследования строения кристаллов веществ биологического происхождения -— солей виноградной кислоты. В своих опытах Пастер обнаружил, что не только кристаллы, но и их водные растворы способны отклонять поляризованный луч света, т. е. они оптически активны. Позже они получили название оптических изомеров. У растворов из веществ небиологического происхождения это свойство отсутствует, строение их молекул симметрично.

Нуклеиновые кислоты -— это сложные органические соединения, представляющие собой фосфорсодержащие биополимеры (полинуклеотиды). Существует два типа нуклеиновых кислот -— дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Свое название нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus -— ядро) получили из-за того, что впервые были выделены из ядер лейкоцитов еще во второй половине XIX века швейцарским биохимиком Ф.Мишером. Позже было обнаружено, что нуклеиновые кислоты могут находиться не только в ядре, но и в цитоплазме и ее органоидах. Молекулы ДНК вместе с белками-гистонами образуют вещество хромосом.

В середине XX в. американский биохимик Джеймс Уотсон и английский биофизик Френсис Крик раскрыли структуру молекулы ДНК. Рентгеноструктурные исследования показали, что ДНК состоит из двух цепей, закрученных в двойную спираль. Роль остовов цепей играют сахарофосфатные группировки, а перемычками служат основания пуринов и пиримидинов. Каждая перемычка образована двумя основаниями, присоединенными к двум противоположным цепям, причем если у одного основания одно кольцо, то у другого - два. Таким образом, образуются комплиментарные пары: А-Т и Г-Ц. Это значит, что последовательность оснований одной цепи однозначно определяет последовательность оснований в другой комплиментарной цепи молекулы.

Ген -— это участок молекулы ДНК или РНК (у некоторых вирусов). РНК содержит 4 -— 6 тыс. отдельных нуклеотидов, ДНК -— 10 —- 25 тыс. Если бы можно было вытянуть ДНК одной человече­ской клетки в непрерывную нить, то ее длина составила бы 91 см.

И все же рождение молекулярной генетики произошло несколько раньше, когда американцы Дж. Бидл и Э. Тэйтум установили прямую связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферментов (белков). Именно тогда появилось знаменитое высказывание «Один ген -— один белок». Позже было выяснено, что основной функцией генов является кодирование синтеза белка. После этого ученые сконцентрировали свое внимание на вопросе, как записана генетическая программа и как она реализуется в клетке. Для этого нужно было выяснить, как всего четыре основания могут кодировать порядок расположения в молекулах белка целых двадцать аминокислот. Основной вклад в решение этой проблемы внес знаменитый физик-теоретик Г. Гамов в середине 50-х годов XX в.

По его предположению, для кодирования одной аминокислоты используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Эта элементарная единица наследственности, кодирующая одну аминокислоту, получила название кодон. В 1961 г. гипотеза Гамова была подтверждена исследованиями Ф. Крика. Так был расшифрован молекулярный механизм считывания генетической информации с молекулы ДНК при создании белков.

В живой клетке имеются органеллы -— рибосомы, которые «читают» первичную структуру ДНК и синтезируют белок в соответствии с записанной в ДНК информацией. Каждой тройке нуклеотидов ставится в соответствие одна из 20 возможных аминокислот. Именно так первичная структура ДНК определяет последовательность аминокислот синтезируемого белка, фиксирует генетический код организма (клетки).

Генетический код всего живого, будь то растение, животное или бактерия, одинаков. Такая особенность генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, говорит о происхождении всех живых существ на Земле от единого предка.

Также был расшифрован механизм воспроизводства ДНК. Он состоит из трех частей: репликации, транскрипции и трансляции.

Репликация -— это удвоение молекул ДНК. Основой репликации является уникальное свойство ДНК самокопироваться, что позволяет клетке делиться на две идентичные. При репликации ДНК, состоящая из двух скрученных молекулярных цепочек, раскручивается. Образуются две молекулярные нити, каждая из которых служит матрицей для синтеза новой нити, комплиментарной к ней. При этом Т в новой цепи располагается против А в старой и т. д. После этого клетка делится, и в каждой клетке одна нить ДНК будет старой, а вторая -— новой. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в организме -— мутациям.

Транскрипция -— это перенос кода ДНК путем образования одноцепочной молекулы информационной РНК на одной нити ДНК. И-РНК -— это копия части молекулы ДНК, состоящей из одного или группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков.

Трансляция -— это синтез белка на основе генетического кода и-РНК в особых частях клетки -— рибосомах, куда транспортная РНК доставляет аминокислоты.

В конце 1950-х годов русскими и французскими учеными одновременно была выдвинута гипотеза о том, что различия в частоте встречаемости и порядке расположения нуклеотидов в ДНК для разных организмов имеют специфический для видов характер. Эта гипотеза позволила изучать на молекулярном уровне эволюцию живого и характер видообразования.

Существует несколько механизмов изменчивости на молекулярном уровне. Важнейший из них -— механизм мутации генов, т. е. непосредственное преобразование самих генов, находящихся в хромосоме под воздействием внешних факторов. Факторами, вызывающими мутацию (мутагенами), являются: радиация, токсичные химические соединения, а также вирусы. При этом механизме порядок расположения генов в хромосоме не меняется.

Еще один механизм изменчивости -— рекомбинация генов. Это создание новых комбинаций генов, располагающихся в конкретной хромосоме. При этом сами гены не меняются, а переме­щаются с одного участка хромосомы на другой, или идет обмен ге­нами между двумя хромосомами. Такой процесс имеет место при половом размножении у высших организмов. При этом не происходит изменения общего объема генетической информации, он остается неизменным. Этот механизм объясняет, почему дети лишь частично похожи на своих родителей, — они наследуют признаки от обоих родительских организмов, которые сочетаются случайным образом.

Еще один механизм изменчивости был открыт лишь в 1950-е годы. Это -— неклассическая рекомбинация генов, при которой происходит общее увеличение объема генетической информации за счет включения в геном клетки новых генетических элементов. Чаще всего эти элементы привносятся в клетку вирусами. Сегодня обнаружено несколько типов трансмиссивных генов. Среди них -— плазмиды, представляющие собой двухцепочную кольцевую ДНК. Из-за них после длительного использования каких-либо лекарств наступает привыкание к этим лекарствам, и они перестают действовать. Патогенные бактерии, против которых борется наше лекарство, связываются с плазмидами, которые придают этим бактериям устойчивость к лекарству, и бактерии перестают его замечать.

Мигрирующие генетические элементы могут вызывать как структурные перестройки в хромосомах, так и мутации генов. Возможность использования таких элементов человеком привела к появлению новой науки -— генной инженерии, целью которой является создание новых форм организмов с заданными свойствами. При этом конструируются новые, не существующие в природе сочетания генов с помощью генетических и биохимических методов. Для этого видоизменяется ДНК, которая кодируется для производства белка с нужными свойствами. На этом базируются все современные биотехнологии.

С помощью рекомбинантной ДНК можно синтезировать разнообразные гены и вводить их в клоны (колонии идентичных организмов) для направленного синтеза белка. Так, в 1978 г. был синтезирован инсулин -— белок для лечения диабета. Нужный ген был введен в плазмиду и внедрен в обычную бактерию.

Генетики работают над созданием безопасных вакцин от ви­русных инфекций, так как традиционные вакцины представляют собой ослабленный вирус, который должен вызывать выработку антител, и их введение связано с определенным риском. Генная инженерия позволяет получить ДНК, кодирующую поверхностный слой вируса. В этом случае иммунитет вырабатывается, но заражение организма исключено.

Сегодня в генной инженерии рассматривается вопрос о про­длении жизни и возможности бессмертия путем изменения генетической программы человека. Для этого можно увеличить защитные ферментные функции клетки, оберегать молекулы ДНК от различных повреждений, связанных как с нарушением обмена веществ, так и с влиянием окружающей среды. Кроме того, ученые сумели открыть пигмент старения и создать специальный препарат, освобождающий клетки от него. В опытах с мышами удалось увеличить продолжительность их жизни. Также ученые установили, что в момент деления клетки уменьшаются теломеры -— особые хромосомные структуры, расположенные на концах клеточных хромосом. Дело в том, что при репликации ДНК специальное вещество -— полимераза -— идет по спирали ДНК, снимая с нее копию. Но копировать ДНК полимераза начинает не с самого начала, а оставляя каждый раз недокопированный кончик. Поэтому с каждым последующим копированием спираль ДНК укорачивается за счет концевых участков, не несущих никакой информации -— теломер. Как только теломеры исчерпываются, при последующих копированиях начинает сокращаться часть ДНК, несущая генетическую информацию. Это и есть процесс старения клеток. В 1997 г. в США и Канаде был проведен эксперимент по искусственному удлинению теломер. Для этого был использован вновь открытый клеточный фермент -— теломераза, способствующий наращиванию теломер. При этом клетки обрели способность многократно делиться, полностью сохраняя свои нормальные свойства и не превращаясь в раковые клетки.

В последнее время стали широко известны успехи генных инженеров в области клонирования -— точного воспроизведения того или иного живого объекта в определенном количестве копий. Для этого новый организм выращивается из соматической клетки. При этом выращенная особь генетически неотличима от родительского организма.

Получение клонов у организмов, размножающихся посредством партеногенеза, без предшествующего оплодотворения, не является чем-то особенным и давно используется генетиками. У высших организмов также известны случаи естественного клонирования — рождение однояйцевых близнецов. Но искусственное получение клонов высших организмов связано с серьезными трудностями. В феврале 1997 г. в лаборатории Яна Вильмута в Эдинбурге был разработан метод клонирования млекопитающих. У овцы породы Шотландской черномордой извлекли яйцеклетки, поместили их в искусственную питательную среду и удалили из них ядра. Затем взяли клетки молочной железы взрослой беременной овцы породы Финский дорсет, несущие полный генетический набор. Эти клетки через некоторое время слили с безъядерными яйцеклетками и активировали их развитие посредством электрического удара. Затем развивающийся зародыш в течение шести дней рос в искусственной среде, после чего эмбрионы были трансплантированы в матку приемной матери, где и развивались до рождения. Но из 236 опытов успешным оказался лишь один -— выросла овечка Долли.

После этого Вильмут заявил о принципиальной возможности клонирования человека, вызвавшей самые оживленные дискуссии не только в научной литературе, но и в парламентах многих стран. Такая возможность связана с очень серьезными моральными, этическими и юридическими проблемами. Не случайно в некоторых странах приняты законы, запрещающие клонирование человека, поскольку большинство клонированных эмбрионов гибнет. Кроме того, велика вероятность рождения уродов. Так что такие опыты аморальны, да и просто опасны с точки зрения сохранения чистоты вида homo sapiens. To, что риск слишком велик, подтверждается информацией, пришедшей в начале 2002 г., сообщающей о заболевании овечки Долли артритом -— болезнью, нехарактерной для овец. Позже Долли умерла.

Намного более перспективным направлением исследования является изучение генома (совокупности генов) человека. В 1988 г. по инициативе Дж. Уотсона была создана международная организация «Геном человека», которая объединила множество ученых из разных стран и поставила задачу расшифровки всего генома человека. Это -— грандиозная задача, так как число генов в организме человека составляет от 50 до 100 тыс., а весь геном -— это более 3 млрд нуклеотидных пар. Считается первым этап данной программы, в результате которого будет расшифрована последовательность расположения нуклеотидных пар. Уже проведена работа по созданию «атласа» генов, набора их карт. Первая такая карта была составлена еще в 1992 г. Д. Коэном и Ж.Доссе. В окончательном варианте она была представлена в 1996 г. Ж. Вайсенбахом. Для этого он, изучая под микроскопом хромосому, с помощью специальных маркеров отмечал ДНК различных ее участков, затем клонировал эти участки, выращивая их на микроорганиз­мах, и получал при этом фрагменты ДНК. При этом он получал последовательность нуклеотидов одной цепочки ДНК, из которой состояли хромосомы. Таким образом, им было локализовано 223 гена и выявлено 30 мутаций, приводящих к 200 заболеваниям, среди которых гипертония, диабет, глухота, слепота, злокачественные опухоли.

Среди результатов этой программы, пусть даже и незаконченной, появилась возможность выявления генетической патологии на ранней стадии беременности. Еще одним результатом программы «Геном человека» стало создание генотерапии, лечение наследственных болезней с помощью генов. Для этого выясняют, какой ген оказался дефектным, получают нормальный ген и вводят его во все больные клетки. При этом очень важно отследить, чтобы введенный ген работал под контролем механизмов клетки, иначе мы получим раковую клетку. Уже есть первые больные, вылеченные таким образом. Правда, пока не ясно, насколько радикально они излечены и не вернется ли болезнь в будущем. Также пока не ясны отдаленные последствия такого лечения.

Конечно, использование биотехнологии и генной инженерии имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Об этом говорит опубликованный в 1996 г. Федерацией европейских микробиологических обществ меморандум.

Широкая общественность с подозрением и враждебностью относится к генным технологиям. Страх вызывает возможность появления генетической бомбы, способной исказить геном человека и привести к рождению уродов. Говорят, что широкое внедрение новых технологий может привести к появлению неизвестных пока заболеваний и созданию биологического оружия. И наконец, в последнее время широко обсуждается внедрение трасгенных продуктов, созданных путем внедрения генов, блокирующих развитие вирусных или грибковых заболеваний. Уже созданы и продаются трансгенные помидоры и кукуруза. На рынок поставляются хлеб, сыр и пиво, приготовленные с помощью трансгенных микробов. Такие продукты устойчивы к вредным бактериям, обладают улучшенными качествами — вкусом, питательной ценностью, крепостью. Так, в Китае выращивают устойчивые к вирусам табак, томаты и сладкий перец. Известны трансгенные томаты, устойчивые к бактериальной инфекции, картофель и кукуруза, устойчивые к грибкам. Но до сих пор неизвестны отдаленные последствия использования таких продуктов, и прежде всего их воздействие на организм и геном человека.

Конечно, за двадцать лет использования биотехнологий не случилось ничего из того, чего опасаются люди. Все новые микроорганизмы, созданные учеными, менее болезнетворны, чем их исходные формы. Ни разу не произошло вредного или опасного распространения рекомбинантных организмов. Тем не менее ученые тщательно следят за тем, чтобы трансгенные штаммы не содержали генов, которые после их переноса в другие бактерии могут дать опасный эффект. Существует теоретическая опасность создания новых видов бактериологического оружия на основе генных технологий. Ученые должны учитывать этот риск и содействовать развитию системы надежного международного контроля, способного зафиксировать такие работы.

Специалисты учитывают возможную опасность использования генных технологий. Поэтому разработаны документы, регламентирующие применение таких технологий, правила безопасности в лабораториях и в промышленности, а также правила внесения генетически модифицированных организмов в окружающую среду. Таким образом, сегодня считается, что при соблюдении соответствующих правил польза, приносимая генными технологиями, перевешивает риск возможных отрицательных последствий.