Ген. Очень личная история. Сиддхартха Мукерджи. Саммари
Оригинальное название:
The Gene: An Intimate History
Автор:
Siddhartha Mukherjee
Хаос как закон природы
«На самом деле, если разобраться, все сложные и вроде бы хаотичные явления – результат действия высокоорганизованных законов природы», – пишет ученый-медик, автор и лауреат Пулитцеровской премии Сиддхартха Мукерджи и предоставляет убедительное доказательство этой концепции в действии. В своей книге «Ген: очень личная история» Мукерджи мастерски раскрывает простые принципы, управляющие сложным процессом наследственности.
«Ген: очень личная история» – это дань уважения научному прогрессу. Мукерджи углубляется в 200-летнюю историю генетики, от основополагающих экспериментов Менделя до последних открытий генной инженерии, и раскрывает все, что мы знаем о генетике сегодня, описывая сложные концепции с поразительной ясностью. Увлекательный стиль повествования Мукерджи позволяет читателю побывать в лабораториях и садах великих генетиков, способствует более глубокому пониманию генетики и побуждает задуматься о силах, формирующих нашу идентичность. Мукерджи не боится затрагивать и сложные темы – ужасающие программы евгеники, неудачные испытания генной терапии и наше искаженное понятие «болезни» – и проливает свет на обратную сторону современных генетических технологий.
Независимо от ваших познаний в генетике, эта книга станет для вас доступным, захватывающим и заставляющим задуматься чтением.
История генетики
Несмотря на обилие теорий – от теории спермизма Пифагора, которая гласила, что вся наследственная информация содержится в мужской сперме, до теории преформации, которая предполагала, что сперма содержит полностью сформированного миниатюрного человечка-гомункула, – к началу XIX века понимание наследственности оставалось практически неизменным со времен Древней Греции. Научному сообществу долгое время не хватало фундаментального понимания того, как работают эти биологические явления.
Ключевую роль в становлении генетики как науки сыграли Грегор Мендель и Чарльз Дарвин. Суть гения этих ученых, живших примерно в одно и то же время (оба натуралисты, оба священнослужители, оба глубоко любознательные), по словам Мукерджи, заключалась в способности рассматривать природу не просто как статический факт, но как динамический процесс. Мендель изучал отдельные организмы – Дарвин смотрел на тысячи и миллионы поколений. Несмотря на разные масштабы исследований, они оба задали один и тот же фундаментальный вопрос: как возникает природа?
Ничто в начале жизни Грегора Иоанна Менделя, скромного монаха из Брно, не предвещало его будущего звания ученогореволюционера и отца генетики. Провалы на экзаменах – в том числе по биологии – и неудачные попытки получить диплом преподавателя заставили его вернуться к любимому делу – садоводству, и в особенности селекции растений. Он хотел понять, что делает растения такими, какие они есть. К тому времени уже было известно, что селекция животных и растений может способствовать смене их качеств, но никто не понимал механизма этого процесса.
Именно так в 1856 году он начал свои знаменитые эксперименты и заложил основы современной генетики, представив концепцию аллелей, доминантных и рецессивных признаков и, главное, генов – неделимых единиц информации, передаваемых из поколения в поколение. Он показал, что:
▶ каждый признак существует в двух вариантах, или аллелях (цвет зеленый/желтый, текстура гладкая/морщинистая и т. д.);
▶ организм наследует по одной аллели от каждого родителя;
▶ существуют доминантные и рецессивные признаки; доминантный «доминирует» над рецессивным, проявляясь в фенотипе (на самом деле их взаимоотношения бывают сложнее);
▶ отдельные признаки наследуются независимо (позже ученые узнают о сцепленном наследовании).
8 февраля 1865 года Мендель представил свою статью на научном форуме. После этого другой ученый встал, чтобы обсудить теорию эволюции Дарвина, опубликованную шестью годами ранее, – и никто из присутствующих не заметил связи между двумя темами. Когда Мендель скончался в 1884 году, кто-то написал ему некролог: «Мягкий, щедрый и добрый… цветы он любил». Никто не знал, что эксперименты Менделя вскоре станут одной из важнейших основ современной биологии.
Теория естественного отбора Дарвина, опубликованная в 1859 году, бросила вызов традиционным представлениям о постоянстве видов и стала важным шагом к пониманию эволюции. Однако в то время у Дарвина не хватало понимания механизмов наследственности, важного кусочка пазла в теории эволюции. Он не знал о работе Менделя, хотя, как считает Мукерджи, был близок к тому, чтобы прочесть ее: оставив пометки в книге с опубликованным трудом Менделя, он мистически пропустил его. Кто знает, задается вопросом Мукерджи, что было бы, свяжи кто-то две теории между собой тогда?
Несмотря на запоздалое признание, законы Менделя в итоге были заново открыты и признаны учеными в 1900 году. Большую роль в этом сыграл английский биолог Уильям Бейтсон, который поставил перед собой задачу сделать так, чтобы Мендель и его законы никогда больше не были забыты. В 1905 году Бейтсон ввел термин «генетика», в 1909-м Вильгельм Йохансен ввел термин «ген» для обозначения единиц наследования Менделя. Эра генетики наступила.
На заре XX века существование «единиц наследственности» постепенно становились общепризнанным, но никто не имел представления о том, что же такое ген. Как он устроен, где находится, как действует? Ген – носитель наследственной информации – пока был всего лишь абстракцией.
К тому времени ученые уже предполагали, что гены, скорее всего, находятся на так называемых хромосомах, – они увидели, что половая принадлежность связана с наличием Y-хромосомы. Экспериментально доказал эти предположения генетик Томас Морган. Он и его команда скрещивали тысячи плодовых мух Drosophila melanogaster, тщательно изучая наследование десятков признаков и мутаций. Морган показал, что многие признаки наследуются вместе – сцепленно, – а значит, физически находятся вместе на хромосомах. Это заложило основу хромосомной теории наследственности. В начале XX века комната мух в Колумбийском университете стала эпицентром генетики.
White (белые глаза) – первая известная сцепленная с полом мутация. Морган увидел, что ее наследование не подчиняется законам Менделя. При скрещивании белоглазого самца (XY) и красноглазых самок (XX) в следующих двух поколениях белоглазость проявляется только у самцов. Это связано с тем, что у самок две Х-хромосомы, поэтому одна доминантная аллель в течение двух поколений скрывает мутацию. Однако у самцов только одна Х-хромосома, поэтому, если они унаследуют мутировавшую Х-хромосому, признак белоглазости у них проявится. Это позволило предположить, что ген цвета глаз расположен в Х-хромосоме.
К 1940 годам белки и нуклеиновые кислоты были идентифицированы как основные компоненты хромосом – причем первоначально считалось, что именно белки несут наследственную информацию. Многофункциональные и универсальные, белки были рабочими лошадками биохимического мира. Нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК – считались простой (всего пять нуклеотидов против 20 с лишним белковых аминокислот) и «глупой» молекулой.
Однако дальнейшие эксперименты Освальда Эйвери подтвердили, что нуклеиновые кислоты, а именно ДНК, ответственны за передачу генетической информации. «Глупая» молекула ДНК вдруг оказалась в центре внимания генетиков. Определить ее структуру теперь означало разгадать код жизни.
Биофизик Морис Уилкинс поставил задачу разрешить трехмерную структуру ДНК с помощью рентгенографии. В 1950 году к нему присоединилась Розалинд Франклин. Вскоре она смогла добиться рентгеновских снимков ДНК высокой четкости; постепенно Франклин пришла к выводу, что ДНК может иметь структуру двойной спирали, и приступила к написанию своей работы.
В это же время Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик гнались за тем, чтобы первыми решить задачу структуры ДНК. К тому времени было известно, что ДНК состоит из сахаров, фосфатов и четырех оснований, называемых нуклеотидами: А, Т, Г, Ц. Их первая попытка собрать это в нечто разумное была неудачной – они предположили тройную спираль с основаниями, торчащими наружу.
В 1950 году биохимик Эрвин Чаргафф обнаружил, что при анализе состава оснований А и Т, так же как Г и Ц, присутствовали в одинаковых пропорциях. Это стало важным кусочком пазла. Уотсон и Крик поняли, что пара А-Т по форме была идентична паре Г-Ц, а значит, они всегда находятся в парах и обращены внутрь, к центру двойной спирали.
В 1953 году, используя данные Франклин и правило Чаргаффа, Уотсон и Крик построили первую модель «двойной спирали» ДНК. 25 апреля 1953 года ее опубликовали в журнале Nature вместе с отдельными статьями Франклин и Уилкинса, подтверждающими структуру ДНК экспериментальными данными. Это открытие, безусловно, революционно, но в то же время вызывает споры: считается, что Уотсон брал данные Франклин без ее согласия, и Франклин, несмотря на ее вклад, не получила Нобелевскую премию.