ДНК и её человек. Краткая история ДНК-идентификации

от автора

Книга адресована тем, кто хочет понять, как связаны наша ДНК и наша индивидуальность. Не в высшем философском смысле, а в прикладном, в том самом, который интересует ученых и криминалистов: кому принадлежит образец биоматериала и что еще мы можем сказать об этом человеке, имея только его ДНК? Надо ли для точной идентификации читать весь геном (“но это очень дорого!”). Может ли ошибаться тест на отцовство и чем он отличается от поиска предков человека по Y-хромосоме. Почему биологи уверены, что под Екатеринбургом найдены останки Николая II и его семьи и почему сомневаются представители церкви. Почему многих американцев обеспокоил арест “убийцы из Золотого штата” — это же хорошо, что его арестовали, разве нет?

Тем, кто хочет разобраться в этом, придется вникнуть в устройство ДНК и, главное, понять, как с ней работают. Но я постаралась рассказать об этом как можно проще и с минимумом формул. Идея книги в том, чтобы любой читатель, даже с подготовкой по биологии на уровне школы, мог заглянуть в настоящие научные публикации и разобраться в сути. Зайти чуть дальше новостного “ученые выделили ДНК и установили”.

В конце концов, это интересно само по себе. Истории открытий, которые сделали возможным анализ ДНК на современном уровне, не менее занимательны, чем детективные сюжеты, и не все же мне писать о бандитах, террористах и насильниках — в книге должны быть и положительные герои. А наука о ДНК — это прежде всего люди. Харизматичные, практичные, немного (или без “немного”?) сумасшедшие, упрямые, невыносимые, благородные, уверенно планирующие невозможное — самые разные, но скучно не будет в любом случае.

Это случилось в декабре 2002 г. Лидия, 26-летняя американка, беременная третьим ребенком, рассталась со своим партнером по имени Джейми. Чтобы получить материальную помощь, она обратилась в государственные органы. Как часть рутинной процедуры, Лидия и ушедший от семьи папа должны были пройти генетическое тестирование, чтобы подтвердить отцовство.

Сказать, что результат удивил, — значит не сказать ничего. Джейми действительно был отцом детей, а вот Лидия, если верить ДНК-анализу, не была их матерью. Повторный тест выполнили на всякий случай в другой лаборатории — то же самое.

Лидия заявила, что все это бред, что она прекрасно помнит, как носила и рожала своих детей (интересно, такое вообще-то возможно запамятовать?!). Причем рожала не в лесу, а в цивилизованных условиях, под наблюдением врачей-акушеров, так что врет ваше ДНК-тестирование. Сожалеем, но ДНК-тестирование никогда не врет, отвечали официальные лица. Ситуация у нас с вами подозрительная, известны случаи, когда психически нестабильные похитительницы детей убеждали себя, что они этих детей сами родили, а где-то в это время рыдали настоящие матери. Что до свидетельств медработников — кто знает, может, они подкуплены? А ДНК обманывать не будет, это — наука. Давайте разбираться.

Лидию вызвали в департамент социальных служб и уведомили, что детей у нее могут изъять в любое время. “Когда я села, они подошли, закрыли дверь и просто… начали бомбардировать меня вопросами вроде «Кто вы такая?»”.

Разбирательство продолжалось 16 месяцев. “Я обедаю с детьми и вдруг начинаю плакать. Они смотрят на меня, будто хотят спросить: что случилась, мамочка? Обнимают меня, а я не могу ничего им объяснить, потому что сама не понимаю”. Да и никто не понимал, к кому Лидия ни обращалась, от врачей до юристов. Тысячелетиями оставался бесспорным принцип римского права Mater semper certa est — “Мать всегда известна точно” — и вот на тебе. Хорошо, пофантазируем и допустим, что одного ребенка Лидия во временном помрачении ума могла у кого-то похитить. Но нескольких, да еще родных друг другу?..

Чем все закончилось, мы обязательно узнаем. (Маленький спойлер: анализ не врал.) Но сначала надо разобраться, что это за ДНК-тестирование и почему ему веры больше, чем свидетельству врачей, принимавших роды у женщины.

как устроена днк

Краткая предыстория

Начать придется все-таки с рассказа о двойной спирали. Читатель торопится к детективным сюжетам, и я за годы работы в научной журналистике немного устала от зачина “ДНК состоит из кирпичиков-нуклеотидов” — но ничего не поделаешь, надо. Когда в самом интересном месте непонятно ключевое слово, это раздражает.

То, что потомство бывает похоже на родителей, заметить нетрудно, о возможных причинах этого феномена рассуждали еще античные мыслители. Гиппократ в книге “О семени и природе ребенка” писал так: “Семя мужское исходит из всей той влаги, которая содержится в человеке и от которой отделяется то, что есть наиболее сильного. И доказательством того, что отделяется наиболее сильное, служит то, что, когда мы совершим соитие, то, испустивши из себя столь маленькую часть, делаемся, однако, слабыми. (…) Семя как женщины, так и мужчины происходит из всего тела, и из слабых частей — слабое, а из сильных — сильное (…) И если от какой-либо части тела для семени больше привходит от мужчины, чем от женщины, то ребенок более похож на отца; если же от какой части тела более привносится от женщины, то ребенок бывает более похож на мать. Но никогда быть не может, чтобы плод всеми своими частями был похож на мать, а на отца не был совершенно похож, или наоборот…”1 Ну разве это не прекрасно?

Данная гипотеза создавала трудности, которые видел и сам Гиппократ. Например, если загадочное вещество наследственности формируется во всех частях тела, почему от здоровых и крепких людей иногда рождаются слабые дети, а от искалеченных почти всегда рождаются здоровые: одноногий отец зачинает вполне двуногих младенцев? Гиппократ подыскивал этому довольно увлекательные объяснения, однако время решить вопрос по-настоящему еще не пришло.

Но практическое применение идей наследственности началось задолго до отца медицины: с незапамятных времен люди одомашнивали дикие виды и занимались селекцией. Несколько утрируя, можно сказать, что сельскохозяйственная генетика сделала свои первые шаги, когда древняя женщина выбрала из кучки самые крупные зерна злаков и не стала варить из них похлебку, а сохранила, чтобы посеять. Или когда древний мужчина сказал: эту ярочку сейчас не режем, а приведем к ней соседского барана, самого большого в деревне, получатся ягнята и тоже вырастут большими.

По-видимому, первые научные соображения о наследственности, сохранившие значимость до наших дней, высказал в XIX в. Грегор Мендель — монах, а затем аббат августинского монастыря святого Фомы в Брюнне (сейчас Брно). С 1854 г. в течение восьми лет Мендель проводил опыты по скрещиванию гороха. Ему повезло с объектом исследований: горох быстро растет, у него легко выбрать признаки, представленные не множеством вариаций (как, например, цвет глаз у человека), а всего двумя. Так, горошины могут быть желтыми или зелеными, гладкими или морщинистыми.

Мендель ввел понятие наследственного задатка (или, в других переводах, наследственного фактора) — некой материальной субстанции, которая определяет тот или иной признак. Он также предположил, что каждое растение имеет пары наследственных задатков, так что признак определяется не единственным задатком, а комбинацией двух. Это предположение объясняло, почему при любых вариантах скрещивания, если посмотреть на потомство, соотношение растений с желтыми и зелеными горошинами не бывает произвольным, каким угодно, а всегда близко к отношениям целых чисел — 3:1, 1:1. А заодно — почему признаки распределяются независимо, то есть отдельно взятая горошина может быть желтой морщинистой, желтой гладкой, зеленой морщинистой или зеленой гладкой: цвет — это одна пара наследственных задатков, морщинистость — другая. Сегодня мы называем “наследственные задатки” генами, а их двойной набор — диплоидностью. Подавляющее большинство животных диплоидно, мы, люди, в том числе.

8 марта 1865 г. Мендель доложил свои результаты Обществу естествоиспытателей в Брюнне и опубликовал статью в “Трудах…” этого общества. Однако статья под скромным названием “Опыты над растительными гибридами” (1866) прошла почти незамеченной. Мендель и сам разуверился в важности своих результатов, когда они не подтвердились на других видах, в частности на ястребинке (небольшой желтый цветок, похожий на одуванчик). Дело в том, что семена у ястребинки образуются путем апомиксиса, или партеногенеза, то есть без оплодотворения, из материнской клетки, и никакого взаимодействия отцовских и материнских задатков тут быть не может. Но кто мог знать тогда, что горох — “правильное” растение, честно показывающее истинные генетические закономерности, а ястребинка — “неправильное”.

В итоге наблюдения Грегора Менделя не были восприняты как фундаментальное открытие. Их значение поняли только тогда, когда законы Менделя переоткрыли в начале ХХ в. независимо друг от друга трое ботаников — Карл Корренс (Германия), Хуго де Фриз (Голландия) и Эрих Чермак (Австрия).

Очевидно, не знал о работе Менделя и Чарльз Дарвин (ходят легенды о письме от Менделя в архиве Дарвина, но даже в этих легендах письмо не распечатано). Это досадно: представление о дискретных, ни с чем не смешивающихся единицах наследственности помогло бы ответить как минимум на одно важное замечание критиков.

На заре существования дарвиновской теории ей всерьез угрожал так называемый кошмар Дженкина, по имени британского инженера Флеминга Дженкина, задавшего простодушный вопрос, на который тогдашние натуралисты не находили достойного ответа. Вот вы говорите, что полезные признаки передаются потомству и широко распространяются, спрашивал Дженкин. Но ведь если признак редкий, это означает, что он, скорее всего, будет только у одного из родителей. Следовательно, потомство получит только половинку признака, что мы и наблюдаем в природе: посмотрите, как изменяется цвет кожи у мулатов, квартеронов и окторонов — людей с половиной, четвертой и восьмой частью негритянской крови, у которых лишь один из прадедушек или прабабушек был чернокожим. Значит, даже самый полезный для выживания признак обречен постепенно исчезать, растворяться бесполезными признаками, а не закрепляться и распространяться; не работает ваш естественный отбор!

Наследственные задатки Менделя помогли бы решить эту проблему: потомок получает от родителя либо вариант, отвечающий за полезный признак, либо другой вариант, и никаких четвертей и восьмых долей тут природой не предусмотрено. А если признак в самом деле полезный, то потомков у его носителя будет больше, чем у тех, кто этим признаком не обладает, — вот и распространение.

О цвете кожи у потомков негроидов и европеоидов мы еще поговорим: в криминалистике это важная тема, и там все оказалось непросто. А сейчас — о веществе наследственности.

Вещество наследственности: где находится, из чего состоит

Слова “ген” вместо наследственного задатка, а также “генетика” — наука, изучающая гены, — появились в 1900-е гг., после переоткрытия законов Менделя. Но чем дальше развивалась генетика, чем больше накапливалось наблюдений, тем острее вставал вопрос о материальном носителе генетической информации. Наблюдения подсказывали, что это какая-то молекула, содержащаяся в хромосомах — палочкообразных тельцах, которые становятся видимыми в ядре при микроскопировании окрашенных препаратов делящихся клеток. Хромосомы есть практически у всех живых существ. В большинстве клеток многоклеточных организмов они парные (как и “наследственные задатки” Менделя): каждая хромосома представлена двумя экземплярами. При делении клетки они таинственным образом удваиваются и расходятся по дочерним клеткам — это красивое явление называется “танцем хромосом”. Наконец, когда с ними происходит что-то нештатное, например в клетку попадает неправильное число хромосом, хромосома теряет участок или приобретает лишний, это драматически отражается на внешних признаках организма — фенотипе, как говорят генетики.

Специальную фразу, которой биологи пугают небиологов, — “генотип влияет на фенотип” — можно перевести на человеческий язык как “совокупность наследственных факторов определяет внешние признаки”. Заметим, что фенотип — это не только цвет глаз и полоски на шкуре, но и, например, активность какого-нибудь фермента.

Таким образом, гены, чем бы они ни были, находятся в хромосомах. Важнейшую роль в установлении этого факта в 1910-е гг. сыграл Томас Морган с его опытами по скрещиванию дрозофил. В 1933 г. Морган получил Нобелевскую премию, и к тому времени хромосомная теория наследственности была общепринятой. Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский в начале 1930-х гг. вместе с Максом Дельбрюком и Карлом Циммером пытался оценить физический размер гена в хромосоме, облучая дрозофил гамма-лучами. Через зависимость частоты мутаций от дозы облучения они вычислили минимальный объем в клетке, повреждение которого приводит к мутации. Кстати, оценка оказалась довольно точной: получалось, что “ген” по порядку величин близок к размерам аминокислоты или нуклеотида. Конечно, в реальном гене дрозофилы тысячи нуклеотидов, но повреждение одного из них может испортить весь ген.

Вот как писал о хромосоме Эрвин Шрёдингер в своей знаменитой книге “Что такое жизнь с точки зрения физика?” (What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell) (1945). “Наиболее существенную часть живой клетки — хромосомную нить — можно с полным основанием назвать апериодическим кристаллом. В физике мы до сих пор имели дело только с периодическими кристаллами. Для физика периодические кристаллы являются весьма интересными и сложными объектами. (…) Однако по сравнению с апериодическими кристаллами они кажутся несколько элементарными и скучными. Различие в структуре здесь такое же, как между обычными обоями, на которых один и тот же рисунок повторяется с правильной периодичностью, и шедевром вышивки, скажем, рафаэлевским гобеленом, который повторяет сложный, последовательный и полный замысла рисунок, начертанный великим мастером”[1].

Но ДНК далеко не сразу прошла кастинг на роль Самой Главной Молекулы. Белки, как изначально понятно, основа жизни, практически ее синоним, “жизнь есть форма существования белковых тел” — сказал небиолог, но биологи с этим афоризмом были в целом согласны. Белки и назвали гордо — протеины, “первые”. А вещество, впервые обнаруженное в клетках гноя, получило имя, абсолютно неподходящее для будущей громкой славы…

История ДНК в науке начинается так. После окончания учебы в университете в 1877 г. немецкий биохимик Альбрехт Коссель стал научным сотрудником у своего бывшего преподавателя, Феликса Гоппе-Зейлера, в Страсбургском университете. В то время Гоппе-Зейлер проявлял большой интерес к веществу, которое впервые выделил в 1869 г. еще один его бывший ученик, швейцарец Фридрих Мишер, в Тюбингенском университете. Мишер исследовал лейкоциты из гноя с бинтов, которые брал в хирургической клинике. Он разработал метод выделения ядер из клеток, а из них получил вещество, которое назвал нуклеином (ядро по-гречески — “нуклеус”). Эта странная субстанция была не похожа ни на какие до сих пор известные органические вещества. Она была настолько странной, что Гоппе-Зейлер проверил результаты младшего коллеги, и только после этого, в 1871 г., статья “О химическом составе клеток гноя”2 была опубликована. Новое вещество содержало много фосфора и обладало свойствами кислоты — как выяснилось, в его составе были фосфатные группы, от той самой фосфорной кислоты H3PO4, которую все знают со школьных уроков химии. В белках фосфора практически нет, значит, “нуклеин” — не белок. Возникла даже идея, что это вещество играет роль запаса фосфора, который может понадобиться клетке. (А вот Аристотель писал про мозг, что этот очевидно бесполезный холодный и влажный орган служит для охлаждения крови. Нам легко смеяться над заблуждениями предков.)

Честь открытия ДНК принадлежит Мишеру, но проанализировал “нуклеин” Альбрехт Коссель, лауреат Нобелевской премии по физиологии или медицине 1910 г. Он показал, что нуклеин на самом деле состоит из двух компонентов, белкового и небелкового, и назвал второй из них нуклеиновой кислотой. С 1885 по 1901 г. он со своими студентами исследовал состав этого вещества, выделяя его из различных источников. Коссель открыл азотистые основания в ДНК: — аденин — А, тимин — Т, гуанин — G и цитозин — С (а также урацил — U, который содержится вместо Т в РНК). А вот то, что нуклеиновые кислоты содержат пятиуглеродный сахар — или рибозу, или дезоксирибозу, — установил еще один человек, Феб (Фибус) Левен в Рокфеллеровском институте. Он же предложил понятие нуклеотида как элементарной единицы нуклеиновой кислоты — азотистое основание плюс рибоза либо дезоксирибоза плюс остаток фосфорной кислоты.

Открытие дезоксирибозы в составе нового вещества добавило к его названию еще пять слогов: ДезоксирибоНуклеиновая Кислота — ДНК (англ. DNA, франц. ADN, нем. DNS…). Другая нуклеиновая кислота, с рибозой вместо дезоксирибозы и урацилом вместо тимина, стала, соответственно, рибонуклеиновой, РНК. Длинновато и неуклюже — знать бы заранее, каким важным окажется вещество из гноя, можно было бы придумать что-нибудь покрасивее. С другой стороны, если бы эти молекулы назвали “Священной Книгой Жизни” или “Основой Эволюции”, вряд ли нам сейчас было бы проще.

Кстати: ДНК — дезоксирибонуклеиновая КИСЛОТА, поэтому ДНК — ОНА, а не “он” или “оно”. Когда биологи слышат выражения вроде “ваше ДНК”, “человеческое ДНК” — сердятся и могут побить.

Итак, ДНК состоит из четырех нуклеотидов — А, Т, G, С. Отсюда и возникли сомнения в том, что она может быть веществом наследственности. Представлялось невероятным, что четырьмя нуклеотидами можно записать большой объем информации. К тому же считалось, что они регулярно повторяются в линейной молекуле, то есть, по Шрёдингеру, ДНК — это обои, а не гобелен. А вот в белках, например, целых 20 аминокислот — примерно столько букв в английском алфавите, а если учесть модификации аминокислот, то и русский алфавит белки обгонят.

Казалось бы, Левену, открывшему нуклеотиды и даже соединившему их в цепочку, оставался один шаг до открытия структуры ДНК, — но он этого шага не сделал, а предположил, что ДНК состоит из четырехнуклеотидных молекул, по одному нуклеотиду каждого вида. Это вещество представлялось примитивным, в том числе и самому Левену. “Химия нуклеиновых кислот может быть изложена кратко. Действительно, нескольких графических формул, которые не заполнят даже одну печатную страницу, может быть достаточно, чтобы выразить весь запас современных знаний по этому вопросу”[2], — писал он в 1931 г.3 Парадокс: Левен сильно продвинул вперед изучение структуры нуклеиновых кислот, но он же существенно подорвал репутацию ДНК, поддерживая мнение, что эта неинтересная молекула состоит из четырех нуклеотидов, взятых в равных количествах. Когда решался вопрос о возможном носителе наследственной информации, серьезные люди ставили на белки.

Интересно, что у статьи о структуре “тимонуклеиновой кислоты”4 (так тоже называли ДНК — ее выделяли из тимуса, и она содержала азотистое основание тимин, которого нет в РНК) два автора: Фибус Левен и некий E. S. London. Это Ефим Семенович Лондон, ленинградский патофизиолог, биохимик и радиобиолог. Чтобы получить удобные для исследования небольшие молекулы, соавторы расщепляли нуклеиновые кислоты в желудочно-кишечном тракте собак, которым вставили фистулы по И. П. Павлову, примерно такие же, как для изучения условных и безусловных рефлексов. (Помните в учебнике: звонит звонок, и у собаки выделяется желудочный сок?) Но эти собаки сами по себе ученых не интересовали, а играли роль своего рода химических реакторов: чем бы ни была эта тимонуклеиновая кислота, в биохимии живой клетки не может быть ничего такого, чего не переварило бы хищное млекопитающее. Вот этих собак и готовил к опыту Е. С. Лондон. Кстати, благодарность Павлову, в лабораторию которого Левен приезжал работать, в статье тоже есть. Левен вместе с семьей эмигрировал из России в Америку в 1891 г., уже взрослым, и свободно говорил по-русски. А современным студентам, изучающим молекулярную биологию с биоинформатикой и свысока глядящим на классическую физиологию, не мешает помнить, что их любимые науки начинались некоторым образом в собачьем кишечнике.

Явление двойной спирали

А затем появились экспериментальные данные в пользу того, что за перенос генетической информации отвечает все-таки ДНК, а не белок. Это показали в 30–40 гг. ХХ в. американские генетики Освальд Эвери, Колин Маклеод и Маклин Маккарти. Они проводили опыты со стрептококком — возбудителем пневмонии, по сути, продолжая исследования, которые еще в 1928 г. провел Фредерик Гриффит, британский военный медик5.

У Streptococcus pneumoniae есть два штамма — один образует шероховатые колонии, другой гладкие. Как выяснилось позднее, “гладкие” бактерии заключены в полисахаридную капсулу, которая защищает их от иммунной системы хозяина. Поэтому инъекция гладких бактерий убивает подопытную мышку, а животное, которому ввели “шероховатый” штамм, выздоравливает. Гладкие стрептококки погибают при нагревании. Инъекция мертвых бактерий, естественно, не повредит мыши, удивительно другое: когда Гриффит смешал живых безвредных “шероховатых” стрептококков с убитыми “гладкими” и ввел их мыши, животное умерло, а из его организма удалось выделить живых “гладких” стрептококков. Было такое впечатление, что безобидные бактерии пообщались с покойными убийцами и научились у них плохому. Если убавить метафоричности — позаимствовали у них какое-то вещество, которое к тому же сумели передать новым поколениям бактерий, плодящихся в мышке!

Так вот, Эвери, Маклеод и Маккарти сумели определить, что это вещество — ДНК. Только когда они удаляли ДНК из экстракта “гладких” бактерий, его смешивание с безвредными “шероховатыми” оставило их безвредными, инфицированные мыши не погибли. Во всех остальных случаях, когда экстракт очищали от полисахаридов, липидов, белков или РНК, но не от ДНК, эффект был тот же, что и при смешивании с целыми мертвыми бактериями: мыши погибали, из них можно было выделить живой патогенный штамм.

Теперь мы знаем, что бактерии умеют поглощать ДНК из внешней среды и приспосабливать ее для своих нужд: вдруг у покойных собратьев в геноме есть что-то полезное, что позволит выжить, к примеру, при встрече с антибиотиком? Эти прагматичные и безжалостные существа присваивали чужие гены и сами себя превращали в ГМО задолго до компании Monsanto. Собственно, даже не так: на ранних стадиях эволюции обмен генами был рутинным событием и для бактерий в некотором смысле остается рутиной по сей день, а генетическую межвидовую изоляцию “придумали” высшие организмы.

Еще одно подтверждение того факта, что вещество наследственности — именно ДНК, получили американские генетики Альфред Херши и Марта Чейз. За эти опыты Херши получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1969 г. (совместно с Максом Дельбрюком и Сальвадором Лурия, которые доказали другую важную вещь: что мутации у бактерий возникают не “в ответ” на факторы отбора, а случайным образом, в том числе и до того, как эти факторы начнут действовать; отбор лишь сохраняет полезные мутации и отбраковывает вредные). Марту Чейз на премию не выдвинули, дополнительно обидно, что в некоторых русских источниках встречается “эксперимент Херши — Чейза”…