Неидеальный человек: Почему эволюция оставила нам болезни, ошибки ДНК и уязвимости - Лоуренс Херст

стоит оговориться, что, в отличие от настоящих ступенек, это не цельные перекладины, а две половинки, соединенные в центре. Эти половинки бывают четырех видов. Представлю их в виде четырех разных фигур: круг, полумесяц, ромб и Пакман. Для тех, кто не знаком с этой компьютерной игрой: Пакман — персонаж с >-образным вырезом вместо рта.

Вы, должно быть, заметили, что четыре выбранные мною фигуры образуют две идеальные пары: ромб помещается в рот Пакмана, а полумесяц плотно охватывает половину круга. Эта комплементарность пар принципиально важна для работы ступенек и всей ДНК. Представьте, например, что я беру одну половину лестницы (одну из двух нитей ДНК). Теперь я могу прочитать последовательность четырех типов на этой нити снизу вверх. Допустим, на этой нити первая ступенька — Пакман; вторая, следующая выше, — полумесяц; третья — снова полумесяц; четвертая — круг; а пятая — ромб. Зная, какие фигуры образуют пару, я могу рассказать вам все о противоположной нити. Она должна читаться так: ромб (дополнение к Пакману), круг (дополнение к полумесяцу), еще один круг, полумесяц (дополнение к кругу) и, наконец, на пятой ступеньке — Пакман, дополнение к ромбу. Для анализа ДНК я могу игнорировать и фосфатный остов, и половину молекулы. Видя одну половину лестницы, я знаю, что находится на другой.

Тот же принцип комплементарности лежит в основе копирования ДНК и того, как две клетки — продукт деления одной — оказываются генетически идентичными. Если разъединить лестницу на две нити, можно воссоздать полные двойные нити, добавив «партнера» каждой обнаженной нити. Если на одной нити полумесяц, я дополняю его кругом; если Пакман — вставляю ромб и так далее. Следуя правилу комплементарности, я получу две идентичные молекулы ДНК.

В каждой нашей клетке 46 хромосом — два набора по 23: 23 вы получили от мамы, 23 — от папы. Каждая из 46 хромосом — это одна длинная молекула ДНК. В наших хромосомах миллионы ступеней (это очень высокие лестницы!). Причем количество не играет никакой роли: будь то пять или 50 миллионов, принцип остается тем же. Когда клетка делится, каждая из 46 молекул ДНК разъединяется, а затем дополняется по принципу комплементарности, в результате чего получаются две копии каждой исходной хромосомы — фактически 2 × 46 хромосом. Затем клетка готовится к делению, и каждая дочерняя клетка получает точно по одной копии каждой из 46 хромосом. Копирование молекулы ДНК с образованием двух идентичных копий называется репликацией.

На самом деле мы не называем четыре половинки «ступенек» Пакманами, полумесяцами, кружками и ромбиками. По своей сути все четыре — это химические молекулы, принадлежащие к группе оснований. Слово «основание» здесь означает не «простое вещество», а указывает на способность вступать в реакцию с кислотами. Именно поэтому «ступеньки» называют спаренными основаниями. Каждое такое основание вступает в контакт с сахаром (дезоксирибозой) и фосфатом — так получается нуклеотид, то есть полноценная ступенька со своей частью остова молекулы. Отсюда, кстати, и происходит название дезоксирибо[за]нуклеиновая кислота, или попросту ДНК. Так что ступеньки известны и как нуклеотиды, а если совсем точно — как спаренные основания. У этих четырех оснований есть официальные химические имена: аденин, цитозин, гуанин и тимин. Но в ДНК мы для простоты обозначаем их первыми буквами: А, C, G и T.

Правила образования пар просты: G всегда встает в пару с C, а A — с T. Из этого следует любопытная закономерность: в каждой молекуле ДНК количество G равно количеству C, а количество А всегда совпадает с количеством Т. Это происходит потому, что каждому G на одной цепочке непременно соответствует C на другой, и наоборот. То же самое верно для пар АТ. Именно поэтому ДНК часто характеризуют через содержание GC — то есть долю нуклеотидных пар, образованных гуанином и цитозином. И хотя, зная долю GC-пар, вы автоматически узнаете долю АТ-пар (вместе они составляют 100%), нет никакого правила, требующего равного количества пар обоих типов. У одних организмов ДНК насыщена GC-парами (а значит, бедна АТ-парами), у других — наоборот, преобладают АТ-пары (и, соответственно, мало GC-пар). В нашей ДНК на G или C приходится примерно 41% нуклеотидов.

Благодаря этому даже самую длинную и сложную молекулу ДНК можно представить в виде простого набора букв А, C, Т и G — достаточно записать последовательность оснований всего одной цепи. Какая удача, что структуру ДНК можно записывать так просто и при этом с абсолютной точностью! Когда я занимаюсь секвенированием ДНК (так биологи называют процесс «чтения» оснований по порядку и выяснения их последовательности), мне не нужно корпеть над подробной химической формулой молекулы. Это был бы настоящий кошмар! Вместо этого я просто открываю текстовый файл и записываю одну букву за другой — точь-в-точь как обычный текст.

То, что последовательность ДНК можно записать обычными буквами, указывает на ее важнейшее свойство — она устроена как цифровой код. В науке мы обычно имеем дело с аналоговыми величинами. Возьмите, к примеру, температуру, громкость звука или длину радиоволн — все они меняются плавно, по непрерывной шкале. С ДНК все иначе: в каждой точке цепочки может находиться только одно из четырех оснований — и никаких промежуточных вариантов. Это как с лестницей: нельзя остановиться на ступеньке номер 3,678 — только на третьей или на четвертой. Точно так же участок ДНК не может быть «немножко аденином» — он либо аденин, либо нет. Именно поэтому копировать и записывать ДНК, по крайней мере в теории, довольно просто. Но это также значит, что любая ошибка становится абсолютно очевидной. Когда в процессе копирования или по другой причине одно основание заменяется на другое, мы называем это мутацией. А поскольку код цифровой, допущенная ошибка, как правило, сохраняется.

Если представить ДНК в виде лестницы с перекладинами, становится понятно, как удобно измерять размеры ее молекул. Вместо того чтобы возиться с физической длиной растянутой молекулы, достаточно просто подсчитать количество спаренных оснований (со). А поскольку эти молекулы обычно очень длинные, для удобства мы считаем тысячами спаренных оснований (килобазами — Кб) или даже миллионами (мегабазами — Мб). В человеческом организме 23 хромосомы, и мы их нумеруем по размеру — от одного до 22, а последнюю пару составляют половые хромосомы X и Y. Самая большая — первая хромосома, и у каждого из нас есть две ее копии: одна досталась от мамы, другая от папы. В каждой такой копии примерно 249 миллионов спаренных оснований, или 249 Мб. А вот самая маленькая — это хромосома 21, в ней всего