Читать онлайн Узнай о своих генах. Азбука для небиологов бесплатно

Перевод с английского Н.Ф. Орловой под редакцией д.б.н. И.А. Гамалей

Перевод на русский язык выполнен с согласия World Scientific Publishing Co. Pte Ltd., Singapore.

Об авторе

Эррол Клайв Фридберг, ныне пенсионер, биолог и историк естествознания на кафедре патологии Стэнфордского университета, работал в Юго-Западном медицинском центре Техасского университета. Ранее изучал медицину в южно-африканском Университете Витватерсранда и стажировался в биохимии и патологии в Университете Кейс Вестерн Резерв, прежде чем начать сотрудничать со Стэнфордским университетом, а потом и Юго-Западным медицинским центром в Далласе при Техасском университете.

Фридберг – автор (и соавтор) нескольких изданий книги DNA Repair and Mutagenesis («Репарация ДНК и мутагенез») издательства ASM Press, а также многих книг по истории молекулярной биологии, в том числе:

Correcting the Blueprint of Life – An Historical Account of the Discovery of DNA Repair Mechanisms («Вносим коррективы в план жизни. Исторический очерк открытия механизмов репарации ДНК»),

The Writing Life of James D. Watson («Жизнь Джеймса Д. Уотсона как писателя»),

From Rags to Riches – The Phenomenal Rise of the University of Texas Southwestern Medical Center at Dallas («От нищеты к роскоши – феноменальный взлет Юго-Западного медицинского центра при Университете штата Техас в Далласе»),

Sidney Brenner: A Biography («Биография Сидни Бреннера»),

A Biography of Paul Berg: The Recombinant DNA Controversy Revisited («Биография Пола Берга. Возобновление споров о рекомбинантной ДНК»),

Emperor of Enzymes: A Biography of Arthur Kornberg, Biochemist and Nobel Laureate («Император ферментов – биография Артура Корнберга, биохимика и лауреата Нобелевской премии»).

Фридберг – автор более 400 научных публикаций, в основном на тему репарации ДНК, а также основатель и главный редактор научного журнала DNA Repair. Получил несколько наград, в том числе премию Рауса Уиппла Американского общества исследовательской патологии и премию Лилы Грубер за исследование онкологических заболеваний; является почетным членом Королевского общества Южной Африки.

Благодарности

«Узнай о своих генах» родилась из желания написать книгу для тех, кто биологом не является. Должен признать, что, хотя я написал ряд книг и один, и в соавторстве, в том числе биографии четырех лауреатов Нобелевской премии, а также редактировал книги других авторов, написанные исключительно для научного сообщества (преимущественно из области молекулярной биологии и биохимии), работа именно над этой книгой оказалась для меня самой трудной, но в конечном итоге и самой благодатной во всей моей писательской карьере (впрочем, уместнее употребить слово «хобби», поскольку я в первую очередь профессиональный биолог).

Хочу выразить искреннюю признательность всем, кто читал многочисленные варианты будущей книги и давал дельные советы, особенно моей супруге Ронде, Лоуренсу Бенатеру, Лэрри Битону, Томасу Бонуре, Крису Донджесу и Десмонду Левину. Отдельная благодарность художнику-оформителю Марку Смиту из Медицинского центра при Университете штата Техас в Далласе за схематическое изображение на рис. 3.2.

Ну и наконец, хочу сердечно поблагодарить Сук Ченг Лим и ее коллег из издательства World Scientific Publishing: без их самоотверженного труда эта книга бы не вышла.

Глава 1
Введение

Однажды один из моих внуков озадачил меня вот таким вопросом: «Дедушка, откуда ты взялся? Это я не только о твоих папе и маме, бабушках и дедушках, а что было еще раньше?» Удивленный и обрадованный, что один из моих внуков интересуется своей генеалогией, я сказал ему, что не готов сразу ответить на его вопрос, но постараюсь найти на него ответ.

Поискав в Интернете, я обнаружил такие ресурсы, как MyheritageDNA, KinCore.org и AncestryDNA, которые предлагают генеалогические исследования на основе ДНК, разумеется, за некую плату. В частности, на сайте последнего ресурса был следующий рекламный текст: «Откройте семейную историю с помощью своей ДНК. Сделайте обычный тест ДНК – и вы узнаете свою этническую принадлежность, найдете дальних родственников и обнаружите новые подробности уникальной истории своей семьи».

И тут мне пришла в голову мысль: «А что знает про ДНК и гены средний человек, не имеющий отношения к биологии?» Дальнейшее исследование сети по поводу этих тем меня обескуражило. Информация оказалась сумбурной, неполной, а ее презентация зачастую превышала уровень понимания большинства (а то и всех) небиологов.

У всего живого на Земле – от микроскопических бактерий до слонов и даже у растений, есть гены. Именно гены определяют то, что у вас и (или) у кого-либо из ваших детей такой же цвет глаз и (или) волос, как у вашей матери или отца, или то, что ваши дети похожи на бабушек и дедушек другими физическими и даже внутренними свойствами.

Большинство людей знают, что все живое обладает генами, которые и определяют многое из того, кем вы являетесь и каким образом функционируете как живой организм. Однако, если вы не прослушали курс биологии или генетики, высока вероятность, что вы знаете очень мало или вообще ничего не знаете про гены и про то, что состоят они из ДНК (это аббревиатура сложного биологического соединения, о котором мы поговорим подробно чуть позже). Цель книги – восполнить этот пробел в ваших общих знаниях и объяснить, что такое гены, где они находятся в организме, как функционируют, а также рассказать о неприятных последствиях для организма, а иногда даже и для ваших потомков, если гены функционируют не так, как надо, о том, как их можно повредить, а иногда и поправить, и о многом другом.

Как и большинство научных дисциплин, биология – это огромная область знаний с обширной терминологией, в результате чего далеким от биологии людям трудно (а то и невозможно) понять про гены многое (или хотя бы что-нибудь). Однако я убежден, что априори нет причины, по которой эти термины нельзя перевести на обычный общедоступный язык, который будет понятен любому вдумчивому читателю. Настоящая книга посвящена именно этому. Поэтому на протяжении всей книги я стараюсь передать биологические понятия и объяснить термины так, чтобы это поняли все, кто далек от биологии, то есть рассказать про гены простым языком.

Изучение ДНК и генов – это часть научной дисциплины под названием «геномика» (предмет, который имеет дело со структурой и функцией генов). Формально он отличается от более знакомого нам предмета, о котором вы слышали или про который читали, под названием «генетика». Генетика в основном сосредоточена на изучении наследственности: как признаки живых организмов передаются от одного поколения к другому. Несмотря на это различие, геномика и генетика тесно связаны, оба слова происходят от греческого genno, что означает «давать жизнь», и в процессе чтения вы поймете, что дисциплины эти в значительной мере пересекаются.

* * *

Многие из открытий геномики относятся к периоду в 35 лет начиная с 40-х годов прошлого века. Прошло еще более 15 лет, прежде чем появились новые, более сложные технологии, которые позволили выделить и охарактеризовать отдельные гены, включая и те, что относятся к таким сложным организмам, как вы и я. Соответственно, период между началом 40-х и концом 80-х считается золотым веком в мире геномики. Однако, несмотря на внушительные достижения, еще многое про наши гены только предстоит узнать.

Как профессор, познакомивший с тайнами и чудесами биологии и медицины несколько поколений студентов, я понял, что полезно представлять биологию в историческом контексте: это позволяет проследить возникновение и накопление новых знаний во времени, что, в свою очередь, позволяет глубже понять и оценить, как возникли дисциплины «биология» и «медицина». Вот почему книга «Изучаем свои гены» представлена с учетом хронологии, так как под таким углом зрения легче понять, как с течением времени появились знания о генах, причем задолго до того, как было придумано само слово «ген». Кроме того, книга познакомит читателя с некоторыми из многих ученых, чьи плодотворные идеи и хитроумные эксперименты в лаборатории привели к современному пониманию генов. В книге есть описание нескольких революционных экспериментов, которые имеют отношение к нашему пониманию генов и их функции; описания и объяснения помогут вам оценить, какие сложные и информативные эксперименты в области геномики проводят в научно-исследовательской лаборатории. В книге также есть исчерпывающий словарь, который поможет читателю понять и запомнить биологические термины и их значение. Несмотря на мои усилия объяснить свойства генов простым языком, у вас могут возникнуть сложности, в таком случае свяжитесь со мной по электронной почте ([email protected]). Всегда готов помочь вам разобраться с генами.

Глава 2
Краткая история открытия генов

Первое упоминание существования генов относится к исследованиям, проведенным примерно 160 лет назад Грегором Иоганном Менделем, монахом монастыря Св. Фомы в городе Брюнне в Австрии (ныне г. Брно в Чехии). Мендель родился в 1822 году и был наречен христианским именем «Иоганн». Более привычное имя «Грегор» появилось много лет позже, когда он стал монахом монастыря Святого Фомы.

Мендель был единственным сыном Антона и Розин Мендель. У него было две сестры, семья жила и работала на ферме, которой владела из поколения в поколение. Будучи ребенком, Мендель трудился в саду и изучал пчеловодство, что развило в нем растущий интерес к биологическим наукам.

* * *

Юные годы Менделя в большинстве учебников по генетике упоминаются лишь мельком, и может возникнуть вопрос, каким образом монах из аббатства сумел обрести знания и опыт, необходимые для проведения генетических экспериментов. Однако на самом деле Мендель получил отличное систематическое образование. Когда ему было 11 лет, учитель местной школы обратил внимание на его способности и предложил родителям отправить мальчика в гимназию для дальнейшего обучения. Этот шаг стал тяжким финансовым бременем для семьи, да и для самого Менделя, который большую часть жизни страдал приступами депрессии. Тем не менее он усердно учился и в 1840 году с отличием закончил гимназию.

Впоследствии Мендель поступил на двухгодичные курсы Университета Ольмюца в Брно, где также отличался академическими успехами. В свободное от учебы время он занимался репетиторством, чтобы улучшить свое материальное положение. Когда он поступил на философский факультет Университета Ольмюца, глава кафедры естествознания и сельского хозяйства проводил исследование наследственных признаков (черт) растений и животных, в частности овец, и, вероятно, именно этим пробудил в Менделе интерес к наследственности. Хотя из-за приступов депрессии Мендель неоднократно прерывал обучение, в 1843 году он закончил курсы. В том же году вопреки воле отца, который рассчитывал, что сын возьмет на себя управление семейной фермой, Мендель начал готовиться к принятию духовного сана и вступил в Августинский орден в монастыре Святого Фомы в Брно, где получил имя «Грегор», под которым он и стал известен.

Учась в университете, Мендель постоянно нуждался, поскольку платил за свое обучение, он стал монахом монастыря Святого Фомы в первую очередь для того, чтобы воспользоваться бесплатным образованием, которое предлагал монастырь. Кроме того, у него был доступ к обширной монастырской библиотеке и лабораторному оборудованию. Со временем Мендель стал монахом-августинцем, членом религиозного ордена Римской католической церкви.

* * *

Рис.0 Узнай о своих генах. Азбука для небиологов

Рис. 2.1. Грегор Мендель

Интеллектуальные способности Менделя настолько впечатлили руководство обители Святого Фомы, что в 1851 году его отправили учиться в Венский университет за счет монастыря, чтобы он мог продолжить свои исследования в области естественных наук. Будучи в Вене, Мендель изучал математику и физику у знаменитого австрийского физика Кристиана Доплера, открывшего в 1842 году физическое явление, получившее название «эффект Доплера», которое в конечном итоге привело к использованию радара Доплера, используемого в современном прогнозировании погоды. Ботанику Мендель изучал под руководством Франца Унгера, австрийского ботаника, который начал использовать микроскоп для своих исследований и был приверженцем додарвиновской версии теории эволюции. Вне всякого сомнения, университетское образование Менделя было на переднем крае науки.

В университете Мендель обнаружил преподавательский талант, хотя дважды провалил экзамены на получение диплома учителя. Он был тихим и застенчивым, и, вероятно, устная часть экзаменов была непосильна для его нервной системы. Закончив учебу в Вене, Мендель вернулся в монастырь в Брно и получил место учителя в гимназии, где он преподавал более десяти лет. Именно в это время он начал эксперименты по скрещиванию, которыми и прославился уже после смерти.

Мендель начал исследования со скрещивания мышей. Он занимался этим в своей двухкомнатной квартире при монастыре, пытаясь выявить, какое потомство получится при скрещивании обычных мышей с мышами с пигментной недостаточностью (альбиносами). Будут ли на шкурках мышат признаки обоих родителей или только один из них будет доминировать? Менделю так и не удалось получить ответ на этот вопрос: епископ возмутился, узнав, что священнослужитель занимается опытами, имеющими отношение к сексу, и велел Менделю прекратить исследования. Тогда Мендель занялся посевным горохом, радуясь в душе, что епископу невдомек, что у растений тоже есть пол!

* * *

Мендель изучал наследственность по семи признакам растения: форме горошин (гладкая или морщинистая), цвету горошин (зеленый или желтый), окраске цветка (фиолетовая или белая), расположению цветков (терминальное или аксиальное), высоте стебля (высокий или низкий), форме бобов (без перетяжки или с перетяжкой) и цвету бобов (желтый или зеленый). Мендель выяснял, какое потомство (с гладкими или морщинистыми горошинами) получится у гороха с гладкими горошинами, если его скрестить с растениями с морщинистыми горошинами, и какое потомство (с желтыми или с зелеными горошинами) получится у растений с желтыми горошинами, если их скрестить с растениями с зелеными горошинами, и так далее для каждого из семи признаков, которые он выбрал для исследования. Говорят, что с 1856 по 1863 год он вырастил и изучил 28 тысяч растений, 40 тысяч цветов и около 400 тысяч семян во время первого генетического исследования. По окончании семилетнего исследования Мендель сделал вывод, что есть два «фактора» для каждого наследуемого признака и от каждого родителя наследуется по одному фактору.

Через два года Мендель представил результаты своей работы Обществу естествоиспытателей в Брно. На следующий год его презентация под названием «Опыты по гибридизации растений» была опубликована. Хотя работу отметили за ее основательность, никто не сумел должным образом оценить ее значимость. Дело в том, что работа эта во многом опережала свое время и противоречила популярному мнению о наследственности как о понятии «смешанного» наследования, которое приписывали древним философам и естествоиспытателям. Например, Гиппократ, который считается отцом медицинской науки, выдвинул теорию, согласно которой крошечные частицы от каждой части тела входят в «семенную субстанцию» родителей и в результате слияния появляется новый индивид с признаками обоих родителей. Однако Мендель, несмотря на незаслуженно низкую оценку его исследований, якобы сделал следующее заявление: «Мои научные исследования доставили мне истинное удовлетворение, и я убежден, что пройдет совсем немного времени и весь мир признает результаты моей работы». Для подобной убежденности у Менделя были все основания!

Продолжить чтение