Александр Панчин - Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей
Полезно представлять, насколько маленьким может быть геном живого организма. Геном паразитической бактерии Mycoplasma genitalium составляет всего около 580 тысяч “букв” – это один из самых маленьких известных бактериальных геномов89. Еще меньше бывают геномы вирусов. Вирусы не принято называть “живыми”, ведь они не являются клетками и не могут самостоятельно размножаться. Вирусы – это паразитическая наследственная информация, использующая генетический аппарат клеток для синтеза своих белков, размножения и распространения.
Типичный геном вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) составляет 9749 нуклеотидов90. Бывают и на удивление крупные вирусы с очень богатым генетическим материалом, например, геномы пандоравирусов могут достигать размера в 2,5 миллиона нуклеотидов91, а живут они в амебах – одноклеточных эукариотах. Также в амебах живет и другая группа крупных вирусов с милым названием мимивирусы, геномы которых достигают миллиона нуклеотидов, что для вирусов тоже очень много92.
ВИЧ – это ретровирус, но не подумайте, что это вирус шестидесятых (впервые вызываемый им синдром приобретенного иммунодефицита – СПИД – был диагностирован в 1981 году). Он называется ретровирусом потому, что его геном сделан не из ДНК, как у большинства вирусов и живых организмов, а из РНК. У ретровирусов есть белок “обратная транскриптаза”, который умеет делать транскрипцию наоборот, то есть синтезирует ДНК, комплементарную молекуле РНК. С помощью этого белка ВИЧ создает ДНК-версию своего генома и встраивает ее в геном человеческой клетки. Дальше инфицированная клетка начинает сама производить вирусный генетический материал и его белки. Синтезированные компоненты собираются в новые вирусные частицы и выходят из клетки.
Генетические последовательности можно записывать в виде текста и работать с ними как с последовательностью букв. Так их удобно анализировать: исследовать распространенность тех или иных мутаций в популяции, изучать закономерности эволюции, находить определенные гены и так далее. Ниже приведена последовательность гена, который кодирует обратную транскриптазу ВИЧ.
А вот аминокислотная последовательность обратной транскриптазы ВИЧ в стандартном однобуквенном коде.
Обратите внимание, что теперь мы должны использовать не 4 символа, а 20 – для обозначения аминокислот, а не нуклеотидов, и количество символов уменьшилось в три раза, ведь тройке нуклеотидов отвечает одна аминокислота. Мы досконально знаем, как устроен геном ВИЧ с точностью до нуклеотидов, а точнее, мы знаем последовательности геномов сотен разных его штаммов, причем все они выложены в свободный доступ. И вот странный факт: есть целое движение людей, отрицающих существование этого вируса!
Существуют методы, позволяющие установить последовательность нуклеотидов той или иной молекулы ДНК или РНК. В случае с молекулами РНК обычно сначала осуществляют обратную транскрипцию (с помощью обратной транскриптазы), чтобы получить молекулу ДНК, а уже саму молекулу ДНК “читают”. Чтение генетических последовательностей позволяет нам находить мутации или нуклеотидные замены – отличия между этими последовательностями. В случае с вирусами или бактериями это часто имеет прикладное значение и помогает установить, какие изменения генов привели к тому, что бактерия обрела устойчивость к антибиотику, а вирус – способность обходить защиту нашей иммунной системы, большую вирулентность или способность заражать представителей другого вида, который раньше вирусом не заражался.
Полезно знать, почему вирусы птичьего и свиного гриппа внезапно стали заражать человека, а также почему безобидная кишечная палочка с органической фермы в Германии встала на тропу инфекционной войны и сделалась патогенной. Если мы хотим подобрать лекарство, которое будет действовать против многих штаммов вируса или бактерии, желательно, чтобы оно взаимодействовало с какой-нибудь неизменной частью важного для них белка. Есть и другие вопросы, ответы на которые получают с использованием анализа ДНК (подробный рассказ о нем последует в двенадцатой главе).
Еще один пример использования анализа ДНК можно продемонстрировать на все том же вирусе иммунодефицита человека. В 1992 году в журнале Science была опубликована статья, описывающая драматичную историю, которая развернулась в США93. Семерым пациентам врача-стоматолога, больного СПИДом, поставили диагноз ВИЧ-инфекции. Причем пятеро из семи пациентов не имели очевидных факторов риска заражения: не занимались незащищенным сексом, не принимали внутривенно наркотики.
Учитывая, что через кабинет врача проходит довольно много людей, могло иметь место простое совпадение. Провели анализ генов, кодирующих вирусную оболочку ВИЧ из образцов пациентов, дантиста и группы людей из того же региона, зараженных ВИЧ, но не ходивших к данному стоматологу. Оказалось, что гены ВИЧ пяти из упомянутых пациентов очень похожи на гены ВИЧ врача, причем сходства было намного больше, чем с генами ВИЧ других людей.
Гены ВИЧ двух оставшихся пациентов сильно отличались от генов ВИЧ стоматолога, поэтому было заключено, что пять пациентов заразились в кабинете врача, а двое, скорее всего, где-то еще. ВИЧ мутирует так быстро, что, глядя на последовательности его генов у разных людей, заразившихся даже с небольшим интервалом времени, мы можем достоверно восстановить историю заражений. Примерно такой же сравнительный генетический подход используется для установления отцовства и иных родственных связей между людьми или для установления родства между живыми организмами разных групп. В последнем случае на основании степени сходства генетических последовательностей организмов строятся филогенетические деревья (что-то вроде родословной). Такие деревья показывают, что ближайший современный родственник человека – шимпанзе, что летучие мыши и дельфины генетически ближе к хомячкам и коровам, чем к птицам и рыбам.
Наверное, во избежание паники и распространения кариеса стоит подчеркнуть, что риск заражения ВИЧ в кабинете стоматолога ничтожно мал и связан с нарушением правил гигиены и несоблюдением стерильности медицинского оборудования.
Вот еще одна история о необычном применении методов генетического анализа. Вши, живущие в волосах человека, имеют существенные отличия от вшей, живущих на его одежде, – как в поведении, так и в устройстве тела. Отличаются они и генетически. Понятно, что до появления вшей, приспособленных к жизни в человеческой одежде, должна была появиться сама эта одежда, то есть, изучая генетические отличия человеческих вшей, можно примерно оценить, как давно люди стали одеваться. Для этого нужно лишь знать, сколько мутаций накопилось с момента расхождения двух популяций вшей, сколько новых мутаций возникает в геноме вшей за одно поколение и как быстро происходит смена поколений. Учитывая эти данные, эволюционный биолог Мелисса Тоупс с коллегами пришли к выводу, что одежду наши предки начали носить около ста тысяч лет назад94.
Сегодня мы знаем, что мутации в генах приводят к генетическому разнообразию. У людей на геном в три миллиарда нуклеотидов приходится около трех миллионов отличий между парами хромосом, доставшимися от папы и мамы, – разных аллелей95. Существование аллелей генов было предсказано задолго до открытия молекулы ДНК. Еще в середине XIX века чешский монах Грегор Мендель установил не только существование генов как дискретных единиц передачи наследственной информации, но и законы наследования этих генов, а также тот факт, что один и тот же ген может присутствовать в нескольких вариантах. Мендель пришел к этому выводу, изучив закономерности наследования признаков у гороха.
Горох бывает с красными цветками, а бывает с белыми. Горох способен самоопыляться. Если горох самоопыляется в течение нескольких поколений, можно вывести “чистые линии” гороха по признаку “окраска цветков”. Что такое чистая линия гороха? Это, например, такой горох с красными цветками, который при самоопылении всегда дает горох с красными цветками, то есть при скрещиваниях в рамках чистой линии признак сохраняется из поколения в поколение. Мендель обнаружил, что если скрестить чистые линии гороха с красными цветками и гороха с белыми цветками, то в первом гибридном поколении все потомки будут с красными цветками. Признак “красные цветки” Мендель назвал доминантным. Признак “белые цветки” был назван рецессивным.
Мендель выяснил, что если скрещивать особи гороха из первого гибридного поколения (все с красными цветами) друг с другом, то примерно ¾ их потомков унаследуют красные цветки, но ½ унаследует белые. Это согласовывалось с наблюдением, что у внуков могут проявляться какие-то признаки их дедушек и бабушек, которые не проявлялись у родителей. В данном случае унаследованный признак белых цветков незаметно сохранялся в растениях гороха с красными цветками. Мендель исследовал более 29 тысяч особей гороха, и такая большая выборка позволила ему показать, что данное соотношение 3:1 доминантных признаков к рецессивным у “внуков" близко к математически точному. Это навело его на мысль, что в основе наследования генетической информации лежат некие дискретные невидимые невооруженным глазом сущности. Впоследствии эти сущности были изучены и названы генами.
