Вячеслав Тарантул - Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами
Вскоре после того, как была установлена двухспиральная структура ДНК, обнаружили, что при сильном нагревании ДНК две ее цепи расходятся (расплавляются) и ДНК из двунитевой превращается в однонитевую. Это приводит к нарушению ее естественной структуры, что получило отражение в названии данного процесса — денатурация ДНК. Однако при охлаждении денатурированной ДНК комплементарные цепи находят друг друга и соединяются строго так, как они располагались в исходной неденатурированной молекуле, по типу застежки — «молнии». Этот процесс получил название ренатурации или реассоциации. Сразу же после обнаружения этого явления оно было использовано экспериментаторами в целях изучения структуры генома.
Немного совсем простой математики для тех самых любопытных, кто недавно закончил ВУЗ, изучал химию и еще не забыл все, чему его учили. Процесс реассоциации ДНК во многом сходен с обычной химической реакцией второго порядка и, по этой причине, может быть описан довольно простой формулой:
Сt /C0 = 1/(1 + k2 (C0 t)),
где C0 и Сt — концентрации однонитевых ДНК соответственно в начальный (нулевой) момент времени и в момент времени t после начала реакции реассоциации, k2 — константа скорости реакции второго порядка.
Для удобства изображения процесса реассоциации строят график, в котором по оси ординат откладывают долю реассоциированных молекул, а по оси абсцисс — величину C0 t. При таком изображении кривые кинетики реассоциации ДНК простейших организмов (вирусов и бактерий) имеют S-образный вид. Это соответствует кинетике химической реакции второго порядка. Если в эксперименте наблюдают отклонения от этой кривой, то это должно указывать на гетерогенность цепей ДНК по скорости взаимодействия друг с другом: одни реагирует быстрее, другие, соответственно, медленнее. Когда ДНК человека порезали на куски небольшого размера и измерили кинетику их реассоциации, то обнаружилось, что кривая, описывающая этот процесс, далека от стандартной (рис. 12).
Это явилось результатом того, что в ДНК человека имеются нуклеотидные последовательности, реассоциирующие с разной скоростью, а суммарная кривая реакции, наблюдаемая в опыте, отражает совокупность множества независимых реакций второго порядка. Когда были проведены эти эксперименты, уже существовал математический аппарат, позволяющий, хотя и очень грубо, вычленять из сложной суммарной кривой отдельные относительно однородные кинетические компоненты. Различия в скоростях реассоциации разных компонентов ДНК человека были связаны с разной представленностью в ДНК отдельных нуклеотидных последовательностей. Участки, которые присутствуют в геноме всего один раз, назвали уникальными. Если в геноме определенная нуклеотидная последовательность не уникальна, а представлена неким числом одинаковых копий (т. е. повторяется, отсюда и название — повторяющаяся), то такая последовательность, естественно, по чисто химическим законам, будет в растворе находить комплементарную цепь и взаимодействовать с ней (реассоциировать) значительно быстрее первой.
В результате такого анализа нашли, что в геноме человека около 75% участков ДНК представлены 1 копией (уникальные) на гаплоидный геном (естественно, в ядре, являющемся диплоидным, имеется 2 копии каждой уникальной нуклеотидной последовательности). Остальную часть генома составляют повторяющиеся последовательности (повторы), среди которых 10% представлены очень быстро реассоциирующими повторами (104 и более копий на геном) и около 15% — умеренными повторами. Заметим сразу, что в дальнейшем эти оценки были существенно пересмотрены. Однако некоторые из этих результатов остались в силе до сих пор.
Рис. 12. Кинетика восстановления двунитевых молекул из искусственно разделенных комплементарных цепей ДНК человека (реассоциация). ДНК разбивают на небольшие фрагменты, денатурируют путем нагревания, а затем при охлаждении разошедшиеся цепи ДНК вновь соединяются. Чем чаще в смеси встречаются те или иные последовательности, тем быстрее они находят друг друга в растворе и реассоциируют. По этой кинетике определяли общее содержание повторяющихся и неповторяющихся (уникальных) нуклеотидных последовательностей в геноме человека
Первоначальные анализы показали, что среди быстро взаимодействующих друг с другом при реассоциации фрагментов ДНК присутствует некоторое количество таких, кинетика реассоциации которых отличается от реакции второго порядка. Причина этому оказалось в том, что эти участки представляют собой так называемые обращенные повторы, или палиндромы — взаимокомплементарные последовательности, расположенные не на разных, а на одной нити ДНК.
Таким образом, в ДНКовом текте присутствуют «предложения» — палиндромы («перевертыши»), одинаково читаемые слева направо и справа налево. Перевертыши хорошо известны из литературы — это предложения, которые читаются одинаково слева направо и справа налево без учета знаков препинания и интервалов между словами. В качестве примера приведем один из таких перевертышей:
УЖРЕДКОРУКОЮОКУРОКДЕРЖУ.
В ДНК перевертышами называют отрезки двойной антипараллельной спирали, которые имеют одинаковую нуклеотидную последовательность при чтении по обеим цепям в одинаковом направлении. Это выглядит как, например, в ниже приведенном случае:
Здесь стрелками показано направление цепей ДНК, а звездочками — водородные связи, образуемые между парами нуклеотидов. Общее число таких «перевертышей» в геноме человека оценено в интервале от 105 до 106. При этом они относительно равномерно распределены по ДНК.
Имеются в геноме человека и нуклеотидные последовательности, которые на всем своем протяжении построены из одной единственной «буквы». Если в одной цепи ДНК эта буква А, то в другой цепи, соответственно, будет буква Т. Такие участки названы гомополимерными. В случае приведенного выше примера последовательность нуклеотидов записывается, как поли(А) — поли(Т). Таким образом, выяснилось, что в геноме человека (а параллельно это изучали и в геномах других организмов) имеются все варианты нуклеотидных последовательностей, состоящих из 4 «букв», которые только можно себе мысленно представить.
Используя различные модификации метода реассоциации ДНК, установили также, что в большей части генома человека повторяющиеся и уникальные нуклеотидные последовательности перемежаются друг с другом, а средние длины перемежающихся повторяющихся и уникальных фрагментов ДНК составляют соответственно 300 и 2000 п. н.
Приведенные выше данные были, конечно же, усредненными и поверхностно отражали общую картину устройства генома человека. Тем не менее они послужили хорошей основой для дальнейших более углубленных исследований. Важно, что одновременно такие же работы проводились и с использованием других эукариотических организмов. Многие моменты оказались сходными у разных высших организмов и растений. Так постепенно начали вырисовываться в общих чертах основные принципы организации генома человека.
Новый этап — анализ индивидуальных элементов ДНК (генная инженерия)
Мысль ученых продолжала интенсивно работать. И в результате в 1970-х годах были разработаны принципиально новые методы работы с ДНК. Ее научились резать на фрагменты, сшивать их друг с другом, а затем переносить в клетки и целые организмы. На практике это сводится к созданию в пробирке (т. е. in vitro) новых молекул ДНК, состоящих из фрагментов разного происхождения (так называемых рекомбинантных ДНК), которые в естественных условиях не могут возникнуть благодаря установленным и тщательно охраняемым Природой межвидовым барьерам. Датой рождения нового революционизирующего направления, получившего название генной инженерии, принято считать 1972 год, когда в США была создана первая рекомбинантная молекула ДНК.
Становление генной инженерии происходило очень непросто. Уже в самом начале (в 1973 году) участники Гордоновской конференции направили письмо президенту Национальной Академии наук США, в котором высказывали серьезные опасения о возможной опасности рекомбинантных ДНК для здоровья человека и окружающей среды. Прозвучал даже призыв к мораторию на некоторые виды генно-инженерных исследований. Два года спустя состоялась конференция в Асиломаре (США), где также шла речь об опасности генно-инженерных манипуляций и их ограничении. Один из основных исследователей структуры ДНК Э. Чаргафф, в частности, вопрошал: «Имеем ли мы право посягать необратимым образом на эволюционную мудрость миллионов лет только для того, чтобы удовлетворить амбицию и любопытство нескольких ученых?» Озабоченность ученых объяснялась теоретической возможностью создания в пробирке новых генетических структур, способных вызывать необычные формы инфекционных заболеваний человека, или созданием организмов, неблагоприятно воздействующих на окружающую среду. Однако как тогда, так и по прошествии трех десятков лет не существует никаких подтверждений тому, что рекомбинантные ДНК представляют опасность для человека. Современное состояние молекулярной генетики и как вершина ее развития — секвенирование генома человека — свидетельствуют о том, что генная инженерия полностью оправдала большие надежды ученых и поддерживающей ее общественности. Сейчас уже практически нет спора в отношении важности и необходимости использования генной инженерии для решения как научных, так и практических задач, стоящих перед человечеством.
