Открытие ДНК

Один из самых амбициозных международных научных проектов, которые когда-либо предпринимались, - «Геном человека». Его целью было узнать и описать подробный генетический «чертеж», который хранится в каждой клетке человеческого организма.

Ген - это участок ДНК, определяющий строение одного из белков живой клетки и тем самым участвующий в формировании признака или свойства организма. В 1911 г. американский биолог Томас Морган вместе со своими учениками Алфредом Стертевантом и Германом Мёллером экспериментально доказали, что гены располагаются в хромосоме линейно, при этом каждый ген занимает строго определенное место. В 1913 г. Стертевант составил первую карту Х-хромосомы плодовой мушки из рода дрозофил, указав взаимное расположение генов, а также приблизительное расстояние между ними.

Химическая структура ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), из которой в основном состоят хромосомы, была расшифрована в 1953 г. американским биологом Джеймсом Уотсоном и английским биофизиком Фрэнсисом Криком. Условно ее можно представить в виде винтовой лестницы с вертикальными стойками, состоящими из молекул сахара, кислорода и фосфора. Важную функциональную информацию несут «ступеньки лестницы». Они состоят из 2 молекул, каждая из которых крепится к одной из вертикальных стоек. Эти молекулы - 4 азотистых основания (аденин, тимин, цитозин и гуанин) - могут образовывать связи («ступеньки») лишь определенного типа: между аденином и тимином и между гуанином и цитозином. Последовательность таких связей определяет поток химических реакций в клетке, а записать ее можно при помощи всего 4 знаков - начальных букв названий азотистых оснований.

Следующий шаг на пути к записи генома (совокупности всех генов) человека сделал микробиолог из Южной Африки Сидни Бреннер. В 1963 г. он обратился к изучению развития маленького круглого червя Caenorhabditis elegans. Изучая это простое создание, Бреннер сумел проследить за процессом клеточного деления и спровоцировать генетическую мутацию. Разработанная им методика стала тем базисом, на котором позднее изучалась генетика человека. Вместе с Бреннером в лаборатории молекулярной биологии Кембриджского университета (Великобритания) работали двое молодых ученых: англичанин Джон Салстон и американец Роберт Хорвиц. Салстону выпала задача картографировать все клетки тела червя и проследить, как они развивались начиная с эмбрионального состояния. Позже Бреннер и Салстон инициировали проект по описанию генома червя Caenorhabditis elegans, полное картирование которого было завершено через 15 лет работы, в конце 1998 г.

В 1990 г. был начат международный проект «Геном человека». В нем принимали участие несколько тысяч исследователей из более чем 20 стран, а возглавляли - ученые из США и Великобритании. Целью проекта было секвени-рование 3 млрд пар оснований генетического кода человека для того, чтобы идентифицировать все гены, входящие в последовательность, и обеспечить возможность их изучения. Проект был рассчитан на 15 лет. В действительности он продолжался 13 лет. Группа ученых из Центpa Сенгера (Великобритания), возглавляемая Салстоном, разработала около трети последовательности, большая же часть остальной работа была проделана биологами из США и Канады. Быстротой осуществления проект «Геном человека» отчасти обязан конкуренции с аналогичным частным коммерческим проектом американского биолога, генетика и бизнесмена Крейга Вентера.

На фотографии исследователь из Центра Сенгера (Великобритания), участник международного проекта «Геном человека», при помощи многоканальной пипетки готовит ДНК для секвенирования.

На экране компьютера - последовательность оснований человеческого гена; каждое представлено графически и обозначено буквой вверху. ДНК образована из соединений четырех азотистых оснований - гуанина (G, черная линия), цитозина (С, синяя линия), тимина (Т, красная линия) и аденина (А, зеленая линия).

В феврале 2001 г. участники обоих проектов независимо друг от друга опубликовали в журналах Nature («Природа») и Science («Наука») первые реконструкции генома человека, охватывающие примерно 3 млрд оснований. Более полная последовательность была опубликована в 2003 г.

Приступая к работе, ученые предполагали, что генов будет очень много, от 50 до 120 тыс. Однако оказалось, что большая часть ДНК человека не входит в состав генов, и поэтому их всего лишь около 30-50 тыс. Удивительно, но человеческий геном лишь вдвое длиннее, чем у плодовой мушки из рода дрозофил.

Цепная реакция поли-меразы - один из методов, используемых для картографирования человеческого генома. На фотографии - аппараты, создающие точные копии фрагментов человеческой ДНК для анализа.