Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Молекула ДНК хранит биологическую информацию в виде генетического кода, состоящего из последовательности нуклеотидов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.
В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органеллах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.
С химической точки зрения ДНК — длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы (фосфодиэфирные связи). В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула закручена по винтовой линии. Cтруктура молекулы ДНК в целом получила традиционное, но ошибочное название «двойной спирали»: на самом деле, она является «двойным винтом». Винтовая линия может быть правой (A- и B-формы ДНК) или левой (Z-форма ДНК).
В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин (A), гуанин (G), тимин (T) и цитозин (C)). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин (A) соединяется только с тимином (T), гуанин (G) — только с цитозином (C). Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции. Кроме того, в геноме эукариот часто встречаются участки, принадлежащие «генетическим паразитам», например транспозонам.
Расшифровка структуры ДНК (1953 год) стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За выдающийся вклад в это открытие Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону и Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии или медицине 1962 года. Розалинд Франклин, получившая рентгенограммы, без которых Уотсон и Крик не имели бы возможность сделать выводы о структуре ДНК, умерла в 1958 году от рака (Нобелевскую премию не дают посмертно).
ОТКРЫТИЕ СТРУКТУРЫ МОЛЕКУЛЫ ДНК
Проникая все глубже в тайны мироздания, человек пытался ответить на один из основных вопросов, которым задавались еще древние мудрецы: что есть жизнь, что есть сам человек? Тайна рождения живых организмов интересовала ученых не меньше, чем строение звезд. Открытия в области биологии, совершенные в XX в., вывели человечество на новые рубежи, наметили поистине фантастические перспективы. Молекулярная биология по-прежнему остается одной из самых перспективных наук нашего времени.
Разработав теорию эволюции живых организмов, Дарвин не мог ответить на вопрос, как закрепляются в потомстве изменения в структуре и функциях живых организмов, возникшие в процессе этой эволюции. Но когда его книга только-только вышла из печати, в Чехии уже ставил свои опыты Грегор Мендель. Его выводы положили начало развитию науки о наследственности — генетики, которой суждено было объяснить важнейшие загадки мироздания. На модели гороха Мендель впервые установил существование особых «наследственных факторов» (позднее названных «генами»), передающихся от одного поколения другому, переносящих при этом определенные признаки. Однако еще долгое время сам механизм передачи был ученым неизвестен.
В то же время в Германии работал зоолог Август Вейсман, который высказал и доказал правильность мнения о том, что переход родительских свойств на потомство зависит от прямой передачи родителями некоего материального вещества, которое, по мнению Вейсмана, было заключено в хромосомах — органеллах клетки. Важнейшие для развития генетики исследования в дальнейшем провел американец Томас Морган. Поставив массу экспериментов на мухах-дрозофилах, он и его сотрудники пришли к выводам о материальных основах наследственности, линейной локализации генов в хромосомах, закономерности их мутационной изменчивости, цитогенетическом механизме их наследственной передачи и др., что позволило окончательно оформить основные принципы хромосомной теории наследственности.
В 1869 г. биохимик Мишер выделил из клеточных ядер неизвестное до тех пор вещество со свойствами слабой кислоты. Позднее химик Левин установил, что в состав этой кислоты входит углевод дезоксирибоза, отчего она и была названа дезоксирибонуклеиновой (ДНК). В 1920 г. тот же Левин идентифицировал в составе ДНК четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимидин (Т). Таким образом, уже в 20-х годах XX в. ученые знали, из чего состоит ДНК. Эти сведения были существенно дополнены в 1950 г. биохимиком Чаргафом, обнаружившим, что в молекуле ДНК количество А равно количеству Т, а количество Г равно количеству Ц.
Однако, что касается роли ДНК в хранении и передаче наследственной информации, то долгое время по этому поводу имелись только догадки. В 1944 г. микробиологи Эвери, Маккарти и Маклеод впервые передали от одного микроба к другому определенные свойства с помощью ДНК.
А 28 февраля 1953 г. два молодых ученых из Кембриджского университета Джеймс Уотсон и Френсис Крик сообщили о своем открытии структуры молекулы ДНК. Они установили, что эта молекула представляет собой спираль, состоящую из двух цепочек. В каждой цепочке, имеющей фосфатно-сахарную основу, содержатся азотистые основания. Водородные связи между А и Т, с одной стороны, и Г и Ц — с другой, определяют устойчивость двуспиральной структуры. Уотсон и Крик определили, что последовательность азотистых оснований в структуре двуспиральной ДНК является «кодом» генетической информации, который передается при копировании (удвоении) молекулы. Когда две цепи ДНК разъединяются, к ним могут прикрепляться новые нуклеотиды, и около каждой из старых цепей образуется новая, точно ей соответствующая (поскольку единственно возможным является сочетание нуклеотидов А — Т, Г — Ц).
Статья Уотсона и Крика под названием «Молекулярная структура нуклеиновых кислот» была опубликована 25 апреля 1953 г. в журнале «Nature». В этом же номере была напечатана статья лондонских ученых Р. Франклин и М. Вилкинса, в которой были описаны результаты рентгеновского исследования молекулы ДНК, показавшего, что эта молекула действительно представляет собой двойную спираль.
Открытие Уотсона и Крика было признано практически во всем мире (опоздал лишь СССР, где генетика была разгромлена благодаря усилиям академика Лысенко). Уже в 1961 г. американские биологи Ниренберг и Очоа установили, что отдельные участки ДНК кодируют, т. е. определяют строение совершенно конкретных белковых структур («три расположенных рядом нуклеотида кодируют одну определенную аминокислоту»). Эти ученые определили кодоны, соответствующие каждой из 20 аминокислот.
Естественно, открытие Уотсона и Крика дало лишь базу для последующих исследований, но без этой базы генетика, вероятно, не могла бы развиваться дальше. В 1962 г. оба ученых получили Нобелевскую премию.
В первой половине 1970-х годов были впервые получены гибридные молекулы ДНК («ДНК-ДНК»), способные проникать в клетки различного происхождения и стимулировать там синтез несвойственных этим клеткам белков. Это было рождением новой дисциплины — генной инженерии, которая была сразу же взята под правительственный контроль в связи с потенциальной возможностью ее использования для создания биологического оружия. В 1977 г. был разработан первый вариант «машинного» метода определения нуклеотидных последовательностей в молекуле ДНК, что резко увеличило количество раскрытых («прочитанных») геномных участков и целых генов. В 1982 г. было получено первое лечебное средство нового поколения — генно-инженерный инсулин. Он производится бактериальными клетками, в которые вводится ДНК, кодирующая структуру белка инсулина. В 1983 г. был разработан способ увеличения количества молекул ДНК с помощью фермента полимеразы, а в 1985-м — метод индивидуального молекулярного «фингерпринтирования» (то есть своеобразного «снятия отпечатков пальцев») каждой оригинальной пробы ДНК. Это позволило осуществлять сравнение разных проб ДНК между собой для определения их идентичности или, напротив, несхожести. Эти методы сразу же начали применяться в судебной медицине для идентификации биологических «следов преступления», а также для установления отцовства. Расширяется новая генно-инженерная технология производства некоторых пищевых продуктов. В 2000 г. был практически полностью расшифрован геном человека. Наука вплотную подошла к возможности заранее определять фенотип, способности, патологии человека, который только должен родиться. И не только определять, но и корректировать, заменять «больные гены» на «здоровые».