ДНК. Выдающиеся медицинские открытия
Продолжаем нашу интересную рубрику об открытиях в медицине, перевернувших мир и спасших человечество. Сегодня у нас ещё одно открытие, ставшее революционным, – открытие и расшифровка ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты).
Открывая ленту новостей, мы часто натыкаемся на такие громкие заголовки: «Тест ДНК на телешоу подтвердил подмену детей в роддоме», «ДНК возрастом более 115 тысяч лет указала на уязвимость белых медведей перед потеплением климата»… Почему же эта молекула получила столько пристального внимания? Давайте же окунёмся в историю науки и посмотрим, как ДНК стала самой главной молекулой XXI века.
Существует распространённое заблуждение, что Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли ДНК в 1950-х годах. В действительности ДНК была открыта за несколько десятилетий до этого. Джеймс и Фрэнсис смогли прийти к революционному выводу о структуре ДНК в 1953 году, проследив за работой первооткрывателей этой молекулы.
Сама история открытия ДНК начинается в 1800-х годах… Но вначале нужно отметить, что история ДНК в науке тесно связано с историей изучения наследственности. Итак, первый кто выдвинул более научно обоснованные идеи о наследственности, которые актуальны по сей день, был Грегор Мендель, который проводил эксперименты по скрещиванию гороха. Проанализировав полученные результаты, он разработал концепцию генетического задатка – вещества, определяющего тот или иной признак. Позже он предположил, что признак определяется не одним задатком, а комбинацией двух.
На тот момент результаты исследований Менделя остались почти незамеченными. Повторение опыта на ястребинке не дали тех же результатов, что и с горохом. Это совсем разуверило учёного в важности своих результатов. В итоге исследования Менделя не были восприняты, как фундаментальное исследование. Заслуженное значение эти открытия получили только после их переоткрытия в начале XX в.
Слово «ген» вместо наследственного задатка появилось в 1900-е гг, когда произошло переоткрытие законов Менделя. Это в дальнейшем привело к возникновению вопроса о том, что является материальным носителем генов. Наблюдения показали, что это некая молекула, которая содержится в хромосомах – палочкообразных структурах в ядрах клеток. После исследований Томаса Моргана была установлена хромосомная теория наследственности. Таким образом, можно сказать, что далёкий путь к раскрытию тайн ДНК в науке начинается во 2-й половине XIX в. Сама же эта молекула была впервые идентифицирована уже в 1860-х годах, швейцарским химиком Иоганном Фридрихом Мишером. При изучении лейкоцитов им был разработан метод выделения ядер клеток. В последующем ему удалось выделить из ядер вещество, которому он дал название «нуклеин». При исследовании этого вещества Иоганн понял, что оно обладает неожиданными свойствами, отличными от свойств других белков, с которыми он был знаком. Так, не зная важности своего открытия, Мишер показал миру молекулярную основу всей жизни – ДНК.
В 1877 году эстафету по изучению ДНК принял немецкий биохимик Альбрехт Коссель. В ходе исследования он установил, что нуклеин состоит из двух компонентов, белкового и небелкового. Второй компонент проявлял свойства кислоты хоть и слабой и получил название нуклеиновая кислота. В дальнейшем Коссель со своими учениками открыл азотистые основания. А вот наличие в составе ДНК дезоксиребозы установил Феб Левен из Рокфеллеровского института. Так, в 1881 году вещество приобрело новое название «ДезоксирибоНуклеиновая кислота», которое используется по сей день. Эта работа была хорошо вознаграждена в 1910 году, когда Коссель получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Большая роль в процессе изучения того, как протекает фаговая инфекция и как на это влияют внешние условия, принадлежит группе учёных под руководством немецкого учёного Макса Дельбрюка, который в США собрал группу энтузиастов, заинтересовавшихся его идеей изучения природы наследственности на бактериофагах. Так возникла «фаговая группа». В ходе ряда уникальных экспериментов были изучены мутационный процесс у бактерий и бактериофагов. Именно за работы этого периода, много лет спустя, Дельбрюк был удостоен Нобелевской премии.
В дальнейшем появились научно обоснованные доказательства того, что за перенос генетической информации отвечает всё-таки ДНК, а не белок. Это открытие принадлежит американским генетикам Освальду Эвери, Колину Маклеоду и Маклину Маккарти. Они продолжали исследования британского военного медика Фредерика Гриффита, которые он проводил ещё в 1928г. Исследование заключалось в проведении опытов со Streptococcus pneumoniae, который является возбудителем пневмонии. Они предположили, что стрептококки могут заимствовать какое-то вещество, которое способствовало защите их от иммунной системы хозяина и которое к тому же сумели передать новым поколениям бактерий. Эвери, Маклеод и Маккарти сумели определить, что это вещество — ДНК. Только при удалении ДНК из экстракта «гладких» бактерий, его смешивание с безвредными «шероховатыми» не делала их вирулентными, инфицированные мыши не погибли. Во всех остальных случаях, когда экстракт очищали от других веществ, но не от ДНК, эффект был тот же, что и при смешивании с целыми мёртвыми бактериями мыши погибали, из них можно было выделить живой патогенный штамм.
Ещё одно подтверждение того, что веществом наследственности, является именно ДНК, получили американские генетики Альфред Херши и Марта Чейз. За эти эксперименты Херши вручили Нобелевскую премию в области физиологии и медицины в 1969г. Марту Чейз на Нобелевскую премию не выдвинули. Дополнительно обидно, что в некоторых русских источниках встречается «эксперимент Херши — Чейза». Об исполнителе эксперимента и соавторе статьи многие не знают даже, что это женщина.
Открытие Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком структуры двойной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) в 1953 году стало важной вехой в истории науки и положило начало современной молекулярной биологии, которая в первую очередь занимается изучением того, как гены контролируют химические процессы в клетках. Их открытия вскоре позволили получить принципиально новые сведения о генетическом коде и синтезе белков.
В 1970-х и 1980-х годах открытие помогло создать новые и мощные научные подходы, в частности, исследования рекомбинантной ДНК, генную инженерию, быстрое секвенирование генов и моноклональные антитела, которые являются основой сегодняшней многомиллиардной биотехнологической индустрии.
Первая рентгенограмма ДНК была получена Флоренс Белл и Уильямом Эстбери ещё в 1938 году, которые описали соответствующую форму как «плотную последовательность сплюснутых или плоских нуклеотидов, стоящих перпендикулярно длинной оси молекулы, образуя относительно жёсткую структуру». Структура, по сути, представляла собой гребёнку.
Всё резко изменилось в 1951 году, когда Розалинда Франклин, которая работала над всё более точными картинами дифракции рентгеновских лучей, показала изображения ДНК в Королевском колледже в Лондоне. Когда Д. Уотсон и Ф. Крик начали изучать структуру ДНК, ситуация в науке складывалась следующим образом: М. Уилкинс, много лет, работавший в Англии над разгадкой строения ДНК, накопил огромный фактический материал и был близок к правильному решению задачи. Р. Фрэнклин – кристаллограф, работавшая с ним вместе, сумела получить отлично выполненные рентгенограммы ДНК.
Первые учёные быстро построили структуру ДНК, которая имела форму спирали, но с тремя нитями, туго скрученными вместе и торчащими основаниями. В последующем стало ясно, что такая модель неверна. В 1953 году Крик и Уотсон получили новые данные, собранные Розалинд Франклин, через молекулярного биолога Макса Перутца. Уотсон, в очередной раз неверно истолковав данные, попытался построить нить, образующую половину двойной спирали, с винтом 18°, тогда как данные явно подразумевали, что винт должен быть 36°. Благодаря комментариям тогдашнего аспиранта — Джерри Донохью Фрэнсис начал строить модель с винтом 36°, подгоняя основания между двумя витками спирали. Уотсон в своей предыдущей попытке обнаружил, что пары оснований AT и GC имеют одинаковую форму. Из этого Крик сделал вывод, что цепи должны быть антипараллельными. Так и «родилась» современная форма ДНК.
И вот в 1953 г. в журнал «Nature» вышла статья, насчитывающая всего 900 слов. В ней были представлены окончательные результаты исследований. Уотсон и Крик выдвинули предположение, что ДНК состоит из двух нитей, соединённых друг с другом азотистыми основаниями и закрученных одна вокруг другой. За это открытие учёные были удостоены Нобелевской премии в 1962г. Нобелевской премией был награждён и М. Уилкинс.
В 50 – 60-х годах Фрэнсис Крик вместе со своими сотрудниками открыли основные свойства генетического кода. Ими было доказано, что код триплетный, т.е. одной аминокислоте соответствует последовательность из трёх нуклеотидов. К тому моменту было известно, что в состав белков входит 20 типов аминокислот. В то же время было подсчитано, что всего существует 43 = 64 различных кодона. Также было установлено, что не каждому кодону соответствует аминокислота. Но таких «бессмысленных», кодонов очень немного. Они выполняют специальную функцию — служат стоп-сигналами, которые обозначают конец белковой цепи. В то же время был открыт и тот факт, что аминокислоте могут соответствовать несколько триплетов — код вырожденный, как говорят математики. Помимо этого, стало известно, что один нуклеотид не может входить одновременно в два триплета. Это называется неперекрываемостью.
Данные открытия были сделаны благодаря методике, разработанной американским биохимиком и генетиком из Национального института здравоохранения Маршаллом Ниренбергом и его немецким постдоком – Генрихом Маттеи. Если белковые последовательности к этому времени уже умели успешно расшифровывать, то ни последовательности ДНК, ни последовательности РНК – читать не умели. Поэтому пришлось пойти по иному пути. Учёные предположили, что если клетки «знают» генетический код, то, нужно предложить им распознавать разные последовательности нуклеотидов. Главное, чтобы было точно известно, что это за последовательности. К этому времени биохимики, как раз научились синтезировать кое-какие искусственные РНК. Например, Ниренберг и Маттеи использовали неживые клетки, а клеточные экстракты, которые сохраняли способность синтезировать белок на РНК. Очень важно, они были способны синтезировать белок по внесённой извне РНК. Такие экстракты назвали бесклеточной системой. Собственно, для своих опытов они использовали экстракт из кишечной палочки. Им удалось определить, что кодону УУУ отвечает аминокислота фенилаланин.
О своём открытии Ниренберг сообщил на Международном биохимическом конгрессе в Москве в 1961г. Это было сенсацией в мире науки. Очень быстро удалось сделать подобный перевод для многих аминокислот. Однако определение последовательности нуклеотидов на тот момент было ещё весьма трудным занятием. Окончательно проблема была решена, когда на помощь биохимикам пришли химики-синтетики. Главный вклад внёс Хар Гобинд Корана.
К 1967 году расшифровка генетического кода была окончательно завершена. Биологам стало очевидно, что ДНК в ядре клетки – это своеобразная «библиотека», в которой книги не выдают на дом, но позволяют снимать копии и забирать с собой. Копии книг – это матричные РНК.
В последующем биологами будет выяснено, что всё же небольшое отклонение от стандартного генетического кода есть у некоторых инфузорий. У них один или даже два стоп-кодона стандартного генетического кода могут кодировать аминокислоту глутамин. Таким образом, учёные пришли к выводу, что у некоторых организмов можно сделать небольшое искусственное изменение генетического кода.
Далее в науке предстояло не менее важное открытие структуры гена. Все эти открытия привели к тому, что возрос интерес к ДНК. Можно сказать, что в биологии начался бум открытий, связанных с этой молекулой. Очень важным этапом развития в молекулярной генетике стало открытие методов секвенирования (от англ. Sequence. В переводе дословно означает «определение последовательности»).
Эра секвенирования геномов началась после изобретения метода ПЦР. Данный метод позволил получать неограниченное количество копий выбранного исследователем участка ДНК. Открытие первого наиболее работоспособного метода секвенирования принадлежит английскому биохимику Фредерику Сенгеру (1918-2013). За это открытие он был удостоен Нобелевские премии по химии.
Сенгеру принадлежит разработка секвенирования методом терминаторов. В научной С развитием инструментария секвенирования и ПЦР стало возможным появление методов ДНК-дактилоскопии — системы научных методов биологической идентификации индивидуумов, которая основана на уникальности последовательности нуклеотидов ДНК каждого живого существа (исключением являются однояйцевые близнецы), открытие которых принадлежит Сэру Алеку Джеффрису.
В свою очередь, развитие методов секвенирования, ПЦР и ДНК-дактилоскопии привели к скачку фармакологии и появления таких наук, как фармакогеномика – клинической и научной дисциплины, которая основана на корреляции фенотипа, генотипа и/или кариотипа. В этой науке используется генетическая информация, которая предназначена для предсказания лекарственной эффективности и токсичности, а также для выявления лиц, чувствительных или нечувствительных к препаратам.
При изучении ДНК нельзя забывать про вопросы эволюционной биологии. Генетика, в том числе и молекулярная, неизбежно повлияла и на процесс развития эволюционных представлений. Главным образом молекулярная генетика повлияла на вопросы, которые касаются происхождения видов в природе.Генетические программы в ходе эволюции не возникают заново, а редуцируются специализированным матричным способом.
При изучении взаимодействия генетики и эволюционной биологии невозможно не упомянуть о фундаментальном биологическом труде всемирно известного английского биолога Ричарда Докинза, который носит название «Эгоистичный ген». Главная идея работы состоит в обосновании геноцентричного взгляда на эволюцию. Эволюция в книге рассматривается прежде всего как эволюция генов. Учёный считает, что естественный отбор на уровне особей или популяций почти никогда не может одержать верх над естественным отбором на уровне генов. Исходя из этого, Докинз утверждает, что эволюция по Дарвину происходит на уровне генов, но никак не особей или видов. В науке это получило название теории эгоистичного гена. Докинз называет гены репликаторами, а организмы — машинами для выживания.
Изучение ДНК в науке имеет долгий путь. Всё началось с открытия химической природы ДНК. В дальнейшем науке удалось открыть генетический код и двойную спираль. Всё это способствовало появлению ДНК-дактилоскопии и технологий рекомбинантной ДНК. Что смогло продвинуть вперёд развитие таких областей, как криминалистика, персонализированная медицина и генная инженерия. Но это ещё не конец пути. Учёными уже сделаны первые шаги в создании ДНК-чипов, которые используются в биологии и медицине и при создании… вышек 5G!
На этом исследователи не останавливаются и проводят исследования по созданию ДНК- компьютеров. В целом, можно сказать, что изучение структуры гена и генома смогут дать человечеству ещё множество открытий. Эти открытия будут способны стать основой прорывных технологий, которые послужат на благо человечества.
