К настоящему времени проект практически выполнен, причем большая часть информации перепроверена несколько раз. Результаты оказались во многом неожиданны. Оказалось, например, что число генов человека - около 30 тыс., а не 80 тыс, как ранее считалось. Удивительно, но и это 30 тыс. занимают всего около 5% всей нуклеотидной последовательности. Обнаружилось также, что из 3 млрд. нуклеотидов, слагающих геном - 99,9% одинаковы у всех людей. Очевидно, всего одна десятая процента и делает нас теми, кто мы есть, - умными или глупыми, красивыми или не очень, маленькими или большими и т.д.
% расшифрованных нуклеотидных последовательнойстей ДНК человека - это нечто, чего мы не понимаем. "Бессмысленные" участки получили название некодирующих.
У бактерий некодирующие последовательности отсутствуют полностью. У дрожжей их почти нет. По мере повышения уровня организации живого организма накапливается все больше некодирующей ДНК. Некоторые исследователи считают такого рода ДНК своего рода регулятором работы "обычных" генов, другие - резервом эволюции, предназначенном для создания новых генов или "ремонта" старых.
Однако, полная расшифровка нуклеотидной последовательности ДНК человека - только первый шаг к пониманию работы его генетического аппарата. Гораздо более сложная задача - понять, каким образом гены взаимодействуют между собой, почему в одних специализированных клетках организма одни и те же гены "молчат", а в других - работают. Здесь мы сталкиваемся с т.н. проблемой дифференциальной активности генов, решение которой дало бы возможность объяснить, каким образом возникают различные типы тканей (мышечная, нервная, эпителиальная, костная и др.), а значит, и управлять развитием организма.
Сейчас ученые пытаются исследовать механизмы взаимодействия генов, создавая искусственные организмы. Так, в 2002 г. американским ученым из Нью-Йоркского университета удалось создать первый искусственный вирус - возбудитель полиомиелита. Он был синтезирован с нуля, из химических реактивов.
Пользуясь тем, что геном вируса полиомиелита полностью расшифрован, группе исследователей под руководством профессора Экарда Уиммера удалось собрать точную последовательность нуклеотидов, соответствующую естественному образцу. Затем они поместили этот "наследственный" материал в раствор, имитирующий цитоплазму клеток человека, где, на основе информации, заложенной в такой искусственной ДНК, были синтезированы необходимые вирусные белки.
"Это исследование красиво", - сказал вирусолог Олен Кью (Olen Kew) из Центра по контролю за заболеваемостью в Атланте, США. Отдельные части работы - изготовление цепочки ДНК по известной последовательности нуклеотидов, выращивание вируса вне клетки, - были известны и раньше. "Сила этой разработки в том, что Уиммеру удалось свести всe вместе".
Интересно, что для сборки вируса учeные использовали только открытую информацию. Они использовали информацию о синтезируемой нуклеотидной последовательности, опубликованную в Интернете.
Создав вирус, выглядевший под электронным микроскопом так же, как и природный образец, исследователи, для доказательства его активности, заразили им мышей. Животные погибли при классических симптомах полиомиелита.
Экард Уиммер предупредил, что, несмотря на то, что некоторые вирусы в природе больше не встречаются, а сохранeнные штаммы тщательно охраняются (как в случае с вирусом оспы), "миру стоит быть настороже", поскольку биохимики могут построить вирус заново, используя сведения о его устройстве, причем нет гарантии, что это не будет сделано в преступных целях или будет допущена утечка вируса по неосторожности.
Практическим результатом достижения группы Уиммера станет, возможно, пересмотр политики мирового сообщества по отношению к вакцинации от полиомиелита. Эта инфекция близка к исчезновению в природе благодаря длительным и повсеместным прививкам. Всемирная организация здравоохранения была намерена прекратить вакцинацию после победы над вирусом. Теперь, как считает Экард Уиммер, необходимо продолжать прививать население.
Успешное осуществление синтеза вируса полиомиелита дает определенную надежду, что в скором времени ученым удастся получить (копировать) искусственным путем хотя бы самую простую бактериальную клетку. Кандидатом на эту роль сейчас является клетка микоплазмы Mycoplasma genitaliu, относящаяся к наиболее примитивно устроенным микроорганизмам. Ее геном содержит всего около 480 генов, из которых только 350 необходимы для минимального поддержания жизнедеятельности. Копирование генома микоплазмы намерена осуществить американская фирма TIGR (The Institute for Genomic Research), которая уже прославилась установлением структуры множества геномов. Выполнение этого проекта откроет перспективу для изучения систем взаимодействий между модулями клетки, которые существенны для жизнеспособности, и заложит основу для понимания путей, ведущих от генотипа к формированию живого организма.
Другое перспективное направление, которое можно было бы тоже назвать воссозданием живых организмов, но происходящим в виртуальной реальности, заключается в создании компьютерных моделей живых клеток, которые продемонстрировали бы, как все элементы клетки работают в координации друг с другом. По всей видимости, в процессе создания такой модели удалось бы также выявить реальные провалы в наших знаниях о структурах и их функциях в клетке, сконцентрировать усилия на их заполнении. До настоящего времени уже удавалось моделировать отдельные элементы клеточных структур (например, т.н. цикл Кребса, другие биохимические процессы). Модель клетки в целом позволит прогнозировать весь комплекс ее реакций на изменения окружающей или внутренней среды и откроет путь для реальной клеточной инженерии, направленной на создание таких биологических структур, которые не создала даже Природа. Первый шаг в направлении моделирования бактериальных клеток уже сделан: в 2002 г. организован международный консорциум, задача которого - создание полной компьютерной модели кишечной палочки Е. соli.
Если моделирование и искусственное воссоздание простейших бактерий возможно уже в относительно недалеком будующем, то решение такой задачи в отношении клеток высших животных и человека сталкивается с несоизмеримо большими сложностями. В первую очередь это касается упомянутой нами выше проблемы дифференциальной активности генов. Из 32 тыс. имеющихся у человека генов "включено" около 20 тыс. генов, хотя точное их число неизвестно. Как минимум половина всех работающих генов необходима для поддержания жизнедеятельности любой клетки, от другой половины генов зависит, будет ли клетка принадлежать мышечной ткани, легким, селезенке, или какому-либо другому органу или ткани. В клетках мышечной ткани активируются только те гены и синтезируются только те белки, которые необходимы для функционирования мышц, в клетках легких активируются гены, необходимые для выполнения функций легких, и т.д.
В последние годы стало ясно, что одним из важнейших механизмов проявления дифференциальной активности генов является т.н. гистоновый код (или мастер-код).
Гистоны - это универсальные белковые компоненты хромосом, открытые в 1884 г. А. Косселем. Существуют пять типов гистонов H1, Н2А, Н2В, НЗ и Н4. Они принадлежат к наиболее консервативным по аминокислотной последовательности белкам в ряду от простейших эукариот до высших. Например, аминокислотные последовательности гистона Н4 из вилочковой железы теленка и проростков гороха различаются только по двум положениям из ста двух.
Гистоны входят в комплекс с ядерной ДНК; восемь молекул гистонов разных типов образуют так называемый гистоновый октамер, на который навивается 1,75 витка спирали ДНК. Такой комплекс называется нуклеосомой. Последовательно расположенные нуклеосомы формируют фибриллу, представляющую собой основу упаковки ДНК в хромосоме.
Для механизма работы гистонового кода чрезвычайно важны концевые аминокислотные последовательности гистонов - "хвосты". Оказалось, что "хвосты" могут подвергаться различным химическим модификациям под действием ряда ферментов, в результате чего актьивность генов изменяется. Выяснилось также, что эти модификации сохраняются при клеточном делении и передаются по наследству, а мутации белков, ответственных за передачу, приводят к полной потере клеткой способности к развитию и в конечном счете к гибели. Гистоновый код, по-видимому, представляет собой идеальный механизм, с помощью которого запускается программа последовательного "включения-выключения" генов в процессе индивидуального развития организмов, не затрагивая при этом информацию, записанную на самой ДНК.
Предполагают, что гистоновый код обеспечивает такое явление, как эпигенетическая наследственность, когда какое-либо внешнее воздействие на организм приводит к изменению его характеристик и признаков, причем такие изменения не связаны с мутацией ДНК и сохраняются в течение нескольких поколений. Например, физиологам растений известно такое вещество, как парааминобензойная кислота (ПАБК). Оно не вызывает мутаций. Обработка растений ПАБК приводит к сокращению длительности их вегетационного периода на 15-20%. Эффект наблюдается до 4-5 поколений, хотя обработке подвергались только растения первого поколения.
Другой пример эпигенетического наследования, с которым предположительно связан механизм гистонового кода: известно, что если мать во время беременности голодает, то ребенок в течение всей жизни будет страдать склонностью к избыточной массе. Эффект может сохраняться в 2-3 поколениях.
Полученные в последние годы данные в области молекулярной биологии позволяют надеяться не только на разработку новых методов лечения наследственных заболеваний, но и на получение средств, замедляющих процесс старения человеческого организма. Так, одним из-основных механизмов старения считается ограничение числа клеточных делений, обнаруженное американским исследователем Л. Хейфликом (1961 г). Им было показано, что фибробласты (клетки соединительной ткани) человека, если создать для них условия размножения в пробирке, смогут разделиться там ограниченное число раз, причем количество делений будет зависеть от возраста донора, т.е. человека, у которого они были изъяты. Фибробласты младенца могут разделиться 50-60 раз, человека средних лет - 20-30 раз, а фибробласты пожилого человека способны всего на 5-7 делений.
В 1998 г. для проверки этой гипотезы группой исследователей во главе с А. Г. Боднар были взяты клетки эпителиальной ткани и фибробласты человека, в которые ввели небольшие фрагменты кольцеобразной ДНК (векторы), кодирующие синтез теомеразы. Такие клетки имели неукороченные хромосомы и перевыполняли свою норму продолжительности жизни не менее чем на 20 циклов делений, так что причинную связь между укорачиванием теломеры и пределом Хейфлика можно считать установленной. Возможность поддерживать нормальные клетки человека в "юном" состоянии может найти достойное применение в научно-исследовательской работе и медицине.
Без преувеличения можно сказать, что возникновение теории эволюции биологических организмов во многом обязано человеку, полностью отрицавшему эволюцию - шведу Карлу Линнею (1707-1778). Однако, это был именно тот человек, который создал основы современной систематики видов, без чего никакая эволюционная теория была бы невозможна.
Попытку систематизировать знания о биологических видах предпринимались и до Линнея. Более 2 тыс. лет назад Аристотель (384-322 гг. до н.э.) описал всего около 500 видов животных. Само понятие "вид" ввел итальянский врач и ботаник Андреа Чезальпино (1519-1603), обобщивший в своем фундаментальном (в 16 книгах) труде "О растениях" сведения о 263 семействах растений из 14 классов. Более строгое научное определение виду как систематической единице дал позднее крупный английский биолог Джон Рей (1627-1705). Он описал 1860 видов растений, которые разбил на 19 классов по своей системе. Рей впервые разделил однодольные и двудольные растения. Понятие "род" ввел французский ботаник Жозеф Турнефор (1656-1708).
Теория эволюции, как и любая другая серьезная научная теория не может быть основана на отрывочных, хаотических и бессистемных данных. Но, несмотря усилия Аристотеля, Чезальпино, Рея и Турнефора в распознавании и описании видов царила безграничная путаница. Именно хаосом можно назвать то состояние зоологии и ботаники, в котором пребывала биология в начале 70-х годов XVIII века. Задача, которая ставилась перед зоологами и ботаниками заключалась в простом ознакомлении с видами животных и растений с точки зрения их хозяйственной пользы. Универсальная международная классификация видов отсутствовала, поэтому видовые названия давались часто только в терминах национальных языков. Исследователь одной страны с очень большим трудом мог понять, относится ли изучаемый им вид к описанию, составленному исследователем из другой страны. Отсутствовали единые правила: как, и какие признаки вида надо описывать.
И вот, наконец, такие правила были предложены Линнеем. Согласно созданной им т.н. бинарной номенклатуры (или системы двойных наименований), название вида состояло из двух частей - родового и собственно видового. Например: Pinus silvestris - сосна обыкновенная, где Pinus - это латинское название рода "сосна", объединяющего несколько видов, а silvestris - латинское название конкретного вида. В современной номенклатуре присутствует еще и третий элемент - это сокращенная фамилия автора, описашего данный вид. Pinus silvestris L. - вид, описанный Линнеем.
За свою жизнь Линней описал 4200 видов животных и около 10 тыс. видов растений, разделив их соответственно на 6 и 24 класса. В его системе присутствуют 4 таксономические категории: класс - отряд - род - вид, сохранившиеся и по настоящее время.
Линней стал первым ученым, который отнес человека и обезьяну к одной группе животных - приматам.
Биография Линнея может служить хорошим примером отношения государственной власти и общественного мнения к крупным ученым. Сын бедного сельского священника и простой крестьянки он с 1742 г. и на протяжении 30 лет занимал должность профессора ботаники Упсальского университета, обеспечивающую ему очень хорошее материальное положение. Его имя считалось в числе первых имен того времени как в научных, так и в аристократических кругах. Внешние успехи и почести сыпались на Линнея со всех сторон. В XVIII - век просвещенного абсолютизма и меценатов ученые были в моде, и Линней относился к тем передовым умам, на которых сыпались любезности государей. И это при всем при том, что обороноспособность и финансовое благополучие страны от ботанической науки вовсе не зависело! Надо ли здесь сравнивать пример Линнея с современным положением дел?
Не удивительно, что первая научная эволюционная теория была создана современником Линнея - великим французским биологом Жаном Батистом Ламарком (1744-1829). Основные ее положения сформулированы автором в следующих законах:
) "Жизнь своими собственными силами непрерывно стремится увеличить объем всякого наделенного ею тела и расширить размеры его частей до предела, ею самой установленного".
) "Образование нового органа в теле животного является результатом новой появившейся потребности, которая продолжает оставаться ощутимой, а также нового движения. порожденного и поддерживаемого этой потребностью".
) "Развитие органов и сила их действия всегда соответствуют употреблению этих органов".
) "Все что было приобретено, запечатлено или изменено в организации индивидуумов в течение их жизни, сохраняется путем воспроизведения и передается новым индивидуумам, испытавшим эти изменения".
Ламарку казалось само собой разумеющимся, что если организмы растут, то существует особая "ростовая сила", которая стремится увеличить размеры особи не только в индивидуальном развитии, но и от поколения к поколению (1-й закон). Эта ростовая сила с наибольшей энергией направляется к активно функционирующим органам (2-й и 3-й законы). 4-й закон в концепции Ламарка является ключевым: речь в нем идет о том, что благоприобретенные признаки наследуются. Под таковыми понимают признаки, полученные особью в течение жизни под действием окружающей среды или в результате тренировки. Идея о наследовании благоприобретенных признаков была весьма популярна во времена Ламарка. Еще Д. Дидро утверждал: если у людей в течение многих поколений отрубать руки, то их дети в конце концов будут рождаться безрукими.