Что такое ДНК? Некоторые скажут, что так звучит название известной телевизионной передачи, но это будет всего лишь отражение в СМИ нашего насквозь информационного времени. На самом деле ДНК – это аббревиатура, получившаяся от сокращения длинного названия органического соединения – дезоксирибонуклеиновой кислоты. Именно она, как это стало известно в середине XX века, является веществом, определяющим наследственные свойства всех живых существ на планете Земля – от крохотного вируса до человека разумного.

Двойная спираль

В 2003 году Национальный институт исследования генома человека возложил на себя обязанности по ежегодной организации нового праздника – Международного дня ДНК, который теперь во всем мире ежегодно отмечается 25 апреля. Именно в этот день в 1953 году американские ученые Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик и Морис Уилкинс впервые опубликовали в журнале Nature свои результаты исследования структуры молекулы ДНК. За это открытие они в 1962 году были удостоены Нобелевской премии. Правда, Уотсон, Крик и Уилкинс работали надданной темой вместе с Розалин Франклин, однако к моменту присуждения ее уже не было в живых, а посмертно Нобелевскую премию, как известно, не вручают.
А вообще ДНК как химическое вещество впервые было получено швейцарским физиологом, гистологом и биологом Иоганном Мишером в 1869 году. В процессе исследований Мишеру удалось установить, что кроме белков в клетках содержится еще какое-то неизвестное соединение, которое он назвал нуклеином, от слова nucleus – ядро. Далее ученый выяснил, что новое вещество состоит из углерода, водорода, кислорода и фосфора. Поскольку фосфорорганических соединений в то время было известно очень мало, Мишер пришел к выводу, что он открыл новый класс веществ в клеточном ядре. Но, конечно же, тогда никто не мог даже предположить, какая огромная роль принадлежит нуклеиновым кислотам в сохранении разнообразия наследственных признаков организмов.
Почти 60 лет после открытия ДНК никто серьезно ее изучением не занимался, пока в 1928 году английский биолог и врач Фредерик Гриффит не провел любопытный опыт. В нем выяснилось, что наследственные свойства могут переноситься от погибших бактерий к живым (впоследствии это было названо эффектом трансформации). Но только в 1944 году группа бактериологов во главе с американским молекулярным биологом Освальдом Эвери установила, что за трансформацию отвечает молекула ДНК, то есть именно она, а не белки, как считалось раньше, является носителем наследственных свойств. Однако вплоть до 50-х годов XX века точное строение этой молекулы оставалось неизвестным. Только в результате работы группы биохимика Эрвина Чаргаффа в 1949-1951 годах удалось отделить друг от друга отдельные частички ДНК – нуклеотиды. А затем, как уже говорилось выше, в 1953 году Френсисом Криком, Джеймсом Уотсоном и Морисом Уилкинсом была предложена ныне всем известная структура молекулы ДНК в виде двойной спирали, выведенная ими по результатам рентгеновских исследований.

«Окрашенные тела»

Дальнейшими экспериментами было установлено, что ДНК имеет двухлинейную структуру, где каждая цепочка представляет собой последовательность отдельных звеньев – нуклеотидов: аденина, тимина, цитозина и гуанина. Нуклеотиды работают как небольшие «магнитики», которые сцепляют эти две цепочки водородными связями. Аденин соединяется только с тимином, а цитозин – с гуанином: А=Т, Г=Ц. При этом число нуклеотидов в каждой молекуле ДНК достигает громадных цифр: у человека, например, их число – более трех миллиардов. И если развернуть только одну молекулу во всю ее длину, то она вытянется до двух с лишним метров. Если же изъять ДНК из всех клеток тела человека и выпрямить их в одну линию, то длина полученной цепочки достигнет… 16 миллиардов километров, а это – двойное расстояние от Солнца до Плутона.
Разумеется, такая громадная нить ДНК может поместиться внутри клеточного ядра только в одном случае – если она будет многократно скручена и туго упакована. Такие образования внутри каждой клетки организма оказались давно известными биологам и называются хромосомами. Их число для каждого вида животных и растений строго определенное и всегда четное: например, у плодовой мушки дрозофилы их 8, у ячменя – 14, у томата – 24, у кролика – 44, у козы – 60, у курицы – 78, у шимпанзе – 48, у человека – 46.
Первооткрывателем хромосом считают немецкого анатома Вальтера Флеминга, который в 1882 году собрал и упорядочил все имеющиеся к тому времени сведения об этих структурах. «Хромосома» в буквальном переводе означает «окрашенное тело», поскольку известные в ту пору биологические красители хорошо с ней связывались.
А законы наследственности впервые были открыты в 1866 году чешским монахом-августинцем Грегором Менделем, но опубликованная им статья об этом явно опередила свое время и потому осталась не замеченной современниками. Однако после открытия хромосом ученым потребовалась всего пара лет для внесения ясности в вопрос о том, что именно хромосомы и есть те самые «частицы наследственности», предсказанные Менделем.
В 1902 году американские исследователи Томас Бовери и Вальтер Сеттон независимо друг от друга выдвинули гипотезу о генетической роли хромосом, которая вскоре блестяще подтвердилась. Основным объектом генетических исследований с тех пор служила плодовая мушка – фруктовая дрозофила. На ней и были получены данные, составившие «хромосомную теорию наследственности». Согласно ей, в хромосомах линейно, в определенном порядке, выстроены гены – единицы наследственности. В 1933 году за это открытие американский биолог-генетик Томас Морган получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
И только через четверть века, после упомянутой выше публикации Крика, Уотсона и Уилкинса, в теорию наследственности было внесено уточнение. На самом деле каждый ген – это отдельный участок вовсе не хромосомы, а ДНК, входящей в ее структуру. Ныне установлено, что организм каждого человека состоит из 40 триллионов клеток, и каждая из них содержит в себе 1,5 гигабайта генетической информации в виде ДНК. При этом ДНК всех людей на Земле на 99,9 процента идентична. Уникальность каждого из нас составляет всего ОД процента.

Расшифровка генома

После того как стало понятно, что наследственность каждого земного организма записана в его ДНК, у исследователей появилась весьма заманчивая идея. Стало быть, рассуждали они, если теперь удастся расшифровать этот генетический код, то уже вскоре можно будет искусственно воспроизвести любой живой организм, включая человека?
Первые сообщения о разработке достаточно быстрых и удобных методов секвенирования (так именуется расшифровка последовательностей генов внутри ДНК) относятся к 1977-1978 годам, когда произошли революционные прорывы в биотехнологии и молекулярной биологии. После этого в научной литературе стал стремительно нарастать вал сообщений о расшифрованных последовательностях генов – сначала вирусных геномов, потом и более сложных организмов. В начале 1980-х годов были секвенированы первые полные геномы вирусов и бактериофагов, среди них фага, обозначаемого греческой буквой «лямбда». В конце 1980-х годов были начаты крупные международные проекты полного секвенирования клеточных геномов бактерий, грибов, высших животных и растений: кишечной палочки, дрожжей, дрозофилы, мыши, пшеницы и других.
Вероятно, истинное число секвенированных геномов на самом деле гораздо больше, потому что многие фармацевтические фирмы засекречивают свои результаты, не публикуя их в печати. Тем не менее мы уже стали свидетелями чрезвычайных по важности событий в молекулярной генетике и биоинформатике, которые означают существенный прорыв в области знаний и возможностей эксперимента.
И, наконец, не так давно дошла очередь и до венца природы. Международный научно-исследовательский проект «Геном человека» (англ. The Human Genome Project, HGP) начался в 1990 году под руководством Джеймса Уотсона. Трехмиллиардный проект был запущен министерством энергетики США и Национальным институтом здравоохранения, и ожидалось, что он продлится 15 лет. Помимо США в международный консорциум вошли генетики Китая, Франции, Германии, Японии и Великобритании.
В 2000 году был выпущен рабочий черновик структуры человеческого генома, а сообщение о полной расшифровке поступило уже в 2003 году. Основной объем секвенирования был выполнен в университетах и исследовательских центрах США, Канады и Великобритании. Однако организаторы проекта признают, что даже сегодня дополнительный анализ некоторых участков генома еще до конца не завершен. Тем не менее уже ясно, что кроме очевидной фундаментальной значимости определение структуры человеческих генов является важным шагом для разработки новых медикаментов и развития других аспектов здравоохранения.