Голодный ген - Эллен Руппел Шелл

В Джексоновской лаборатории Дуглас занялся сравнительно новой областью биохимической генетики — изучением того, каким образом генетическая информация трансформируется в белки. Известно, что они строятся из эталонных генов, а гены — из ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Прошли годы с тех пор, как Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик впервые описали ее структуру — двойную спираль, но Колеман прекрасно помнит это событие, которое произошло в 1953 г., когда он лишь недавно получил степень бакалавра. А почти за столетие до того неприметный моравский монах Грегор Иоганн Мендель опубликовал результаты опытов с семенным горошком и установил непререкаемые правила генетического наследования, продемонстрировав, что наследуемые признаки определяет пара «факторов» (позже переименованных в «гены»).

Мендель обнаружил, что некоторые из признаков — доминантные — проявляются в каждом поколении, а другие — рецессивные, подавленные — обнаруживаются только в том случае, если потомок наследует два таковых — отцовский и материнский. Открытия Менделя были ошеломляющими, но далеко обгоняющими время — и потому научный мир не удостоил их особым вниманием. Как спят до весны зерна озимой пшеницы, так и генетика, по существу, оставалась дремлющей наукой до 1900 г. На исходе XIX века трое ботаников почти одновременно вновь открыли генетические законы, а британский последователь Менделя биолог Уильям Бэтсон (Бейтсон) опубликовал их. Несколько лет спустя английский медик Арчибальд Гаррод предположил, что в каждом гене заложен химический способ создания одного-единственного белка. Он пришел к этому простому, но удивительно мудрому заключению, наблюдая за течением алькаптонурии, редкого заболевания средней тяжести, приводящего к потемнению мочи и развитию артрита. Оно возникает, когда организм не способен самостоятельно избавляться от вещества, называемого гомогентизиновой кислотой. Гаррод убедился, что алькаптонурия передается из поколения в поколение по менделевским правилам наследования рецессивных признаков. Из этого он сделал справедливый вывод: у его пациентов, получивших два рецессивных гена, существует некое наследственное отклонение от нормы, великолепно описанное им как «врожденная ошибка метаболизма». В 1908 г. в ходе знаменитых лекций в Королевском медицинском колледже Гаррод высказал мнение, что причиной алькаптонурии является отсутствие особого фермента, белкового катализатора, который помогает организму разрушать и выводить гомогентизиновую кислоту. Некоторые другие заболевания, такие, например, как альбинизм, могли, по мнению Гаррода, иметь схожий механизм развития. Последовало заключение: между генами и белками существует определенная взаимосвязь, вписывающаяся в рамки теории Менделя.

Этим мыслям предстояло еще сыграть важную роль, но, как и менделевские, они слишком забегали вперед, чтобы быть воспринятыми тогдашней наукой. Только в 1941 г. американцы Джордж Уэлс Бидл и Эдуард Тейтем (Татум) развили догадку Гаррода и сформулировали принцип «один ген — один фермент», объясняющий, каким образом генетическая информация превращается в белки. Еще три года спустя, в 1944 г., после долгих и нередко язвительных дискуссий ученые окончательно сошлись на том, что в основе генов лежат ДНК, необычно простые молекулы, включающие в себя сахар, фосфат и четыре основания нуклеиновых кислот: аденин, цитозин, гуанин и тимин — А, Ц, Г и Т соответственно. Не прошло и десяти лет, как удалось открыть первичную структуру ДНК — иконическую (повторяющуюся) двойную спираль. Благодаря этому открытию Уотсон и Крик смогли уточнить, как молекула передает «указания» из поколения в поколение. Исследователи пришли к выводу, что синтез белков зависит от последовательности нуклеиновых оснований — А, Ц, Г и Т — в ДНК. В человеческом геноме три миллиарда этих букв, которые складываются в извитые, как спагетти, цепочки ДНК, образующие в конечном счете от 30 до 40 тыс. генов. Эти такие хрупкие с виду цепочки ДНК составляют 23 пары хромосом, определяющих совокупность наших индивидуальных свойств.

Геном человека можно сравнить с энциклопедией, состоящей из 23 томов — 23 пар хромосом. Каждый том включает в себя несколько тысяч статей (генов), а каждая статья — множество параграфов, содержащих тысячи слов, которые записаны в виде трехбуквенных «кодонов». В начале 1970-х гг. Дуг Колеман и сотни других пытливых умов пробовали расшифровать смысл многотомного издания. Молекулярные биологи хотели постичь, о каких именно признаках несут информацию те или иные сочетания А, Ц, Г и Т.

Генетический код в целом — геном — часто воспринимают как готовый план действий, который непременно должен быть выполнен. Однако это не совсем так. В действительности геном всего лишь набор возможностей. В генах действительно содержится вся необходимая информация, но, как показали исследования, отсюда еще не следует, что она будет должным образом использована. И это не абстрактный софизм, а серьезный практический вопрос. Ввиду того что факторами окружающей среды гены могут приводиться в действие или, наоборот, блокироваться, «генетическая программа» не является чем-то неизменным. Чтобы электрическая лампочка загорелась, ее нужно включить; чтобы ген заработал и начал преобразовываться в белок, должна произойти его экспрессия. Но это имеет место далеко не всегда. Вероятность того, что ген физически проявится в конечном организме, называется пенетрантностью, и она варьируется в каждом конкретном случае, в каждом конкретном организме. Неэкспрессированные гены не значимы для нашего развития. Именно поэтому однояйцовые близнецы, «сделанные» из абсолютно сходного генетического материала, никогда не бывают полностью идентичными: у них экспрессируются разные группы генов. Потому же не у всех обладателей общего специфического гена имеются физические признаки, с ним связанные. Так, по меньшей мере 20 % женщин, несущих в своем организме страшнейший ген рака молочной железы, счастливым образом избегают канцера.

Генетический материал — фундамент. На нем возводится здание жизни, и успех строительства зависит от множества условий. Ошибки в коде — например, замена Г на А, отсутствие каких-либо букв или наличие дополнительных — могут иметь самые печальные последствия. Так из-за ничтожной оговорки или опечатки смысл слова и даже фразы порой меняется чуть ли не на противоположный.

На первых порах Колеман изучал ошибки в генетическом коде, влекущие за собой не ожирение, а мышечную дистрофию, заболевание, при котором происходит значительная потеря мышечной массы. Поначалу исследование проводилось на мышах, как и большинство научных изысканий в Джексоновской лаборатории. Это научное учреждение всегда было и остается по сию пору своеобразным мышиным ранчо, где множатся грызуны — и самые обычные, и просто-таки фантастические. Их разводят в 47 «мышиных домах», питомниках, разбросанных по всему Бар-Харбору; на сегодняшний день тут насчитывается 2 500 особей различных пород.

Я приехала на встречу с Колеманом поздней осенью, когда листва уже опала, а туристы разъехались по домам в Бостон, Лос-Анджелес и Лондон. Лаборатория, строение красного кирпича, расположена высоко на утесе, возносящемся над Атлантическим океаном, поодаль от туристических маршрутов. Место довольно мрачное; впрочем, пейзаж полон очарования. «Мышиный дом» с занавешенными окнами скромно таится за главным корпусом. Как мне по секрету объяснили, это сделано специально, чтобы не особенно привлекать визитеров из Общества охраны животных. Мне удалось мельком заглянуть внутрь через случайно приоткрывшуюся штору, когда мой «экскурсовод», на что-то отвлекшись, повернулся спиной. (Как и мыши, посетители лаборатории находятся под неусыпным контролем уполномоченных лиц, весьма любезных и всегда готовых помочь.)