Читать онлайн Ген. Очень личная история. Сиддхартха Мукерджи. Саммари бесплатно
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.
1850–1900 годы. «Единицы наследования»: Дарвин и Мендель
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.
1900–1950 годы. Повелитель мух, или Хромосомная теория наследственности
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.
1950-е годы. Элементарно, Уотсон! Молекулярная основа наследственности: структура двойной спирали
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.