ДНК, гены, мутации, пересадка генов - В.Н.БАРАНОВ кандидат медицинскихнаук

В.Н.БАРАНОВ, кандидат медицинских наук

Уже первые наблюдения показали: для того, чтобы жить, клетка должна иметь ядро. Удаление, разрушение ядра неизменно приводило к гибели клетки. Снова и снова исследователи задавали себе вопрос: «Почему клетка без ядра представляет собой клетку без будущего?» Однако лишь через сто с лишним лет после первого описания клеточного ядра постепенно начала проясняться роль этой загадочной ультраструктуры. Главная веха—открытие процесса деления клеток— митоза. Наблюдения за ядром живой клетки в процессе деления выявили сложные преобразования его строения. Ядро становится зернистым, теряет свои границы и как бы растворяется в клетке. Его место занимают движущиеся, точно танцующие палочковидные тельца, названные впоследствии хромосомами за их способность интенсивно окрашиваться на срезах клеток (от греческих слов «хрома»—окраска и «сома»—тело). В какой-то момент все хромосомы одновременно, будто по команде, выстраиваются в ряд по экватору клетки. Затем каждая «палочка» расщепляется продольно и строго пополам, и вновь образованные хромосомы расходятся к противоположным полюсам клетки; вокруг каждой из этих групп появляется оболочка. Вслед за делением ядра делится на две части и тело клетки—цитоплазма. Так образуются две дочерние клетки.
Для чего существует столь сложный «ритуальный танец»? Поиски ответа на этот вопрос были длительными и очень нелегкими. Пожалуй, ни к одной биологической структуре не было приложено такого количества разнообразных методов исследования, имеющихся на вооружении у биологии, биохимии, химии, какие были использованы для анализа строения, свойств и функционирования хромосом.
Теперь даже школьникам известно, что хромосомы всех организмов—растений, животных и человека—представляют собой хранилище наследственной информации. Стал понятным и глубокий смысл расщепления хромосом в процессе деления клетки: этот механизм необходим для равномерного распределения важнейшей жизненной информации между двумя дочерними клетками. Выяснилось, что совсем не случайно хромосомы делятся продольно: по их длине в определенной и неизменной последовательности расположены гены—структуры, определяющие, чем этой клетке быть. Станет ли оплодотворенное яйцо лягушкой или цыпленком? На этот вопрос отвечают гены. И они же определяют, какие клетки развивающегося яйца станут перьями цыпленка, какие—его ногами, а какие—кокетливым красным гребешком.
В начале 40-х годов ученым удалось выяснить, что гены образованы молекулами дезоксирибонуклеиновой кислоты, сокращенно ДНК. Этот удивительный биологический полимер, состоящий из цепочек нуклеотидов— сложных химических соединений, стал подлинным героем нашего времени. Из поколения в поколение передается записанная его молекулами программа синтеза белков, и чем сложнее эта программа, тем длиннее нить ДНК. Сейчас весьма убедительно доказано, что для каждого вида организмов характерно определенное количество ДНК на каждую клетку; оно повышается от вирусов к позвоночным.
Согласно современным представлениям, все сведения об устройстве клетки и ее функции определенным образом записаны в молекулах ДНК подобно словам на телетайпной ленте. При этом за появление каждого конкретного признака ответствен определенный ген или несколько генов, в нашем сравнении это отдельное слово на ленте. Гены отличаются друг от друга последовательностью четырех нуклеотидов, причем важна лишь тройка их в той или иной комбинации. Если продолжать сравнение с телетайпной лентой, то, следовательно, слова на ней состоят из трех букв, а весь алфавит из четырех. Чтобы представить, сколь велико количество информации, записанной в ДНК клетки человека, достаточно назвать сумму нуклеотидов в ней—примерно 3 миллиарда. Причем вся колоссальная информация умещается на «телетайпной ленте» длиной в два—четыре метра—именно такова длина нити ДНК в одном ядре; Чтобы уместиться в ничтожно малый объем ядра, ДНК многократно скручивается, складывается.
Каким же образом реализуется информация, содержащаяся в ДНК: как читается записанная в ней программа жизни?
Деятельность клетки—это многочисленные химические реакции, каждая из которых протекает под действием своего фермента (биологического катализатора белковой природы). Известно, что белки синтезируются в цитоплазме клетки, значит, сюда и должна попасть информация об их строении. Процесс доставки осуществляется с помощью молекул особой информационной, или матричной, рибонуклеиновой кислоты — мРНК. Информация с какого-либо участка ДНК переписывается в молекулу мРНК, которая затем направляется в цитоплазму клетки, где и образуется молекула нужного белка по плану строения, принесенному мРНК.
Синтез белков происходит в основном в период между делениями клетки, называемый (весьма неудачно) периодом покоя. В этот период молекула ДНК относительно выпрямлена, рыхло расположена в ядре и наиболее удобна для «чтения». Под электронным микроскопом она очень- напоминает нитку бус. В конце периода покоя начинается удвоение молекул ДНК, и тем самым подается команда к делению клетки. Характер расположения молекул ДНК в ядре резко изменяется: ДНК спрессовывается, упаковывается в компактные хромосомы, которые являются как бы своеобразным контейнером для переноса молекул ДНК. С наступлением периода покоя хромосомы теряют компактность, начинает «разматываться» нить жизни, открывается «книга памяти» ДНК, и клетка синтезирует белки, выполняя свои определенные функции в организме.
На первый взгляд может показаться, что генный механизм наследственности чрезвычайно устойчив благодаря тому, что каждая вновь образованная клетка получает от клетки-родителя полный набор генов. Они будут управлять ростом и развитием «новорожденной», они же обеспечат в нужный момент воспроизводство новой клетки с таким же набором генов. Однако это не всегда так. Наблюдения показывают, что генный аппарат клеток подвержен мутациям (изменениям) и спонтанным и индуцированным. Правда, частота спонтанных, то есть самопроизвольных, мутаций у организмов всех видов исключительно мала, они имеют случайный, ненаправленный характер. Другое дело индуцированные: они возникают гораздо чаще под воздействием факторов, называемых мутагенными. Это могут быть биологические агенты, в первую очередь патогенные вирусы, некоторые химические соединения, ультрафиолетовое, рентгеновское, ионизирующее излучение.
Мутагенные факторы способны разрушать некоторые нуклеотиды молекул ДНК или значительно повреждать их; в: этих случаях говорят о генных мутациях. Когда под воздействием этих факторов разрывается цепочка молекул ДНК, повреждения относят к хромосомным мутациям. Мутации опасны тем, что с поврежденных молекул ДНК, как с испорченных страниц, снимаются новые, уже дефектные копии, содержащие неверную, искаженную программу жизни. Организм может передать ее по наследству—так могут возникнуть наследственные заболевания, обусловленные как хромосомными, так и генными мутациями.
Типичными примерами болезней, связанных с изменением количества хромосом, являются болезнь Дауна и синдром Шерешевского—Тернера. Болезнь Дауна, характеризующаяся умственной отсталостью и бесплодием, вызывается наличием лишней, добавочной хромосомы. А синдром Шерешевского—Тернера, проявляющийся в замедлении роста и полового развития, обусловлен отсутствием одной хромосомы.
Нелишне напомнить, что каждая клетка нашего организма содержит 46 парных хромосом и лишь половые клетки, и мужские и женские, имеют только по 23 непарные хромосомы. При слиянии половых клеток образуется одноклеточный зародыш, ядро которого содержит 46 хромосом: половина из них получена от отца, а другая половина—от матери. Именно поэтому все мы чем-то похожи на своих родителей.
В настоящее время известно около 2000 наследственных болезней, синдромов и аномалий, проявляющихся в виде различных нарушений обмена веществ, физических уродств, психических расстройств. Ученые утверждают, что фонд неблагоприятных генов постоянно пополняется и разнообразится. И поэтому с особой остротой стоит проблема исправления повреждений генного аппарата клетки.
Идея «лечения» генов поначалу кажется очень простой: вместо поврежденного гена вводить в клетку соответствующий здоровый. Однако не все так просто, как кажется. Прежде всего нужно научиться получать гены: либо выделять их в готовом веде из других организмов, либо синтезировать. Просто это или сложно? Судите сами. По грубым подсчетам, генетический материал (геном) человека представлен несколькими миллиардами нуклеотид-ных пар, а количество генов, как предполагают, составляет, как минимум, несколько десятков тысяч. Из этого количества исследовано лишь несколько сот генов; что же касается хромосомной локализации генов, то адрес найден лишь для ста генов, притом не вполне точно.
Другая не менее сложная задача—ввести нужный здоровый ген в организм. Уже сегодня ученым с помощью ювелирной техники, используя в качестве посредников в одних случаях микроскопические жировые пузырьки— липосомы, а в других некоторые виды вирусов, удалось ввести искусственные гены в ядра изолированных животных клеток и в ДНК бактерий. И что самое главное—пересаженный ген активно работал в новом хозяине. Конечно, до полного решения проблемы еще очень и очень далеко, но первые успехи в этом направлении обнадеживают.