ПРЕМУДРОСТИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА

Впервые ученым удалось получить непрерывную генетическую последовательность автономно существующего живого существа. Расшифровка генома близится к завершению.

Если не считать фальш-старта, вызванного временным забвением открытий Менделя, генетика с самых первых дней своего существования пошла вперед семимильными шагами. От выяснения закономерностей передачи наследственных признаков до разработки хромосомной теории наследственности, открытия и расшифровки структуры ДНК - вот этапы того огромного пути, проделанные с начала века генетиками, за поражающими воображение успехами которых с неослабевающим интересом следят не только специалисты. Их ожидания не будут обмануты, и доказательство тому - последние сообщения прессы об успехах в изучении генетического кода различных живых существ.

Началось все с вирусов. В 1977 году Фред Сэнджер и его коллеги из лаборатории Британского медико-исследовательского совета в Кэмбридже опубликовали последовательность из 5 386 букв. Каждая буква соответствовала отдельному химическому соединению, которое называется основанием. Цепочка букв показывала последовательность, в которой эти основания объединены в ДНК крошечного вируса, известного под именем phi-x. Эта последовательность из 5 386 оснований несет в себе закодированную информацию, которая заставляет бактерию, ставшую жертвой этого вируса, синтезировать девять протеинов, необходимых для воспроизведения жизненного цикла вируса. Вся сокровенная информация, содержащаяся в живом существе, при публикации в журнале вместилась на нескольких его страницах.

Теперь вирусы считаются уже пройденным этапом. Этим летом Крег Вентер и его коллеги из Института генетических исследований в Мэриленде поднялись на следующую ступеньку в изучении таких последовательностей, опубликовав полный генетический код бактерии. В отличие от вируса, который зависит от хозяина при осуществлении своих жизненно важных функций, эта бактерия - Hemophilus influenzae - полностью самостоятельна. Каждая крупная молекула в ней либо описана этой последовательностью, либо является производной молекул, описанных в этой последовательности. Ее 1 830 137 оснований содержат описания 1 743 вторичных молекул; слишком громоздкая для публикации, эта последовательность содержится в памяти компьютера и может быть легко получена по Интернету.

Д-р Вентер и его коллеги близки к расшифровке генетического кода другой бактерии. К концу этого года или несколько позже в результате совместных усилий нескольких исследовательских лабораторий будет полностью расшифрован геном дрожжевого грибка - 13 млн. оснований ДНК, содержащиеся в 16 отдельных хромосомах. К 1998 году ожидается расшифровка 100 млн. оснований, содержащихся в каждой клетке простого червя-нематоды. А через 10 лет ученые, работающие по этой программе, надеются получить последовательность из 3 млрд. букв, которая будет соответствовать структуре ДНК человека.

Как же происходит расшифровка генетического кода? Для решения этой задачи созданы автоматизированные комплексы, вооруженные новейшими лабораторными методиками молекулярной биологии. Они собирают всю необходимую информацию о структуре исследуемых фрагментов молекул и вводят эту информацию в компьютер для последующей обработки. Причем совершенствование этого процесса происходит с потрясающей быстротой. Для расшифровки генома вируса phi-x потребовалось время жизни целого поколения, а сейчас для того, чтобы собрать все необходимые данные, достаточно одной недели (одного дня - собственно для расшифровки и еще одной недели для окончательного отлаживания). На данный момент группа, занимающаяся расшифровкой кода нематод, за год обрабатывает 8 млн. оснований. Такой прогресс стал возможен в первую очередь благодаря осуществлению Проекта изучения человеческого генома. После многолетних подготовительных работ, увенчавшихся несомненным успехом, вот-вот должны начаться исследования, посвященные непосредственно расшифровке человеческого генома.

Параллельно с установлением последовательности оснований всего генома живого существа ведется также широкомасштабное исследование генов. Гены - это части последовательностей ДНК, содержащие описание протеинов. Такое описание сделано при помощи генетического способа кодирования информации: каждая группа из трех оснований соответствует одному специфическому компоненту протеина, то есть ген представляет собой молекулярную матрицу для синтеза белка, молекул, которые ответственны за физические и химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность всего живого.

Существуют различные способы, позволяющие убедиться в том, что конкретные участки ДНК являются генами. Один из них заключается в перехвате информационных молекул, передающих информацию, которая хранится в ДНК, к местам синтеза белка. Этот метод впервые был осуществлен д-ром Вентером. Сопоставляя эти фрагменты с большими обрывками ДНК, ученые могут определить, в какой именно хромосоме содержится данный ген и где конкретно он расположен.

Но зачем же это делать, если уже известна последовательность букв в самих генах? Прежде всего из-за того, что порядок расположения генов может трактоваться по-разному. Гены, чьи функции взаимосвязаны между собой, могут иметь и взаимосвязанные позиции в данной хромосоме. Поэтому для того, чтобы понять, как функционирует данный ген, могут понадобиться знания о том, как функционируют другие, взаимосвязанные с ним гены.

Есть и еще одна причина для проведения подобных исследований. Почему крошечный phi-x использует каждую букву своей последовательности для описания белка, тогда как около 90% человеческого генома не входят в состав каких-либо генов? В промежутках между генами находятся участки ДНК, которые контролируют работу генов, и, возможно, именно так происходит включение (или выключение) последовательностей генов в работу. Ученые обнаружили также бессмысленные, казалось бы, участки ДНК, содержащие бесконечные повторы последовательностей, или же фрагменты, в которых непрерывно повторяется несколько простых мотивов. Ученые называют такие ДНК junk-ДНК (ненужными).

Расшифрованных последовательностей достаточно в том случае, если вас интересуют только гены, но не сам геном. Например, концы хромосом - их теломеры - вообще не содержат белковых матриц. И все же их длинные последовательности с бесконечными повторами несомненно выполняют очень важные функции. Длина теломеров постоянно изменяется в соответствии со структурой ДНК. Эти изменения очень важны для клетки. Возможно, именно изменение длины теломеров служит ей своеобразными часами.

Даже если некоторые junk-участки действительно бессмысленны, большой интерес представляет расшифровка того механизма, который способствовал накоплению таких фрагментов в геноме. Их присутствие означает, что геном - это не просто склад для хранения генов, а что-то гораздо менее статичное. Так что становится понятным повышенный интерес к созданию директория человеческих генов, которым занимается одновременно несколько групп ученых. И здесь возможны приятные неожиданности. Еще не успела просохнуть типографская краска на страницах журнала Economist, обещавшем возможное завершение этой кропотливой работы в ближайшие два-три года, как другой журнал, U.S.News &World Report, сообщил о том, что д-ру Вентеру уже удалось подготовить 379-страничный путеводитель по геному человека.

Практическая ценность полученных знаний о геноме живых существ ни у кого не вызывает сомнений. И все же даже среди специалистов возможна ее недооценка. Результаты последующей обработки этих данных на компьютере, обладающем неутомимой способностью к ассимиляции и анализу, позволили взглянуть на исходный материал с несколько неожиданной стороны. Сравнительный анализ тысяч перекрывающихся фрагментов последовательности, полученных группой д-ра Вентера в ходе экспериментов от самых разных людей, позволил установить, что люди несомненно имеют недавнего общего предка, по всей видимости с африканского континента. Таким же образом может быть выявлен и общий предок всех живых существ. Там, где молекулярные биологи видят геном как средство передачи информации, эволюционисты смогут увидеть кладезь информации обо всех живых существах, когда-либо существовавших в эволюционном ряду.

Исследование генома может также объединить биологию с другими науками, в которых создание и исследование моделей при помощи компьютера имеет решающее значение. Люди, которые занимаются подобными исследованиями - наиболее известна группа ученых из Института Санта Фе, но есть и много других аналогичных, - ищут общие свойства любых сложных систем, способных к адаптации, от иммунных до социальных. И лучше всего среди них исследован пока именно геном живых существ.

Действительно, может, это и есть лучшая модель для подобных исследований? Хромосомы, по всей вероятности, являются наиболее наглядным средством взаимосвязи мира информации с материальным миром. Они содержат огромное количество цифровой информации, не так уж сильно отличающейся от содержащейся на флоппи-дисках. И в то же время это крохотные молекулярные конвейеры, устроенные таким образом, чтобы обеспечивать физическое самовоспроизведение, полное или частичное, позволяющее воспроизвести информацию, закодированную в любой точке своей спирали. Их тонкая структура, вплоть до каждого атома, предопределена той информацией, которая закодирована в них, - и в то же время это активно действующий крохотный физический инструмент. Если вы хотите понять, насколько сокровенны отношения между информацией и физической сущностью, хранящей эту информацию, лучшей отправной точки, чем зарождающаяся геномная наука, не найти.

По материалам журналов Economist и U.S.News&World Report