Эксперименты Менделя показали, что каждое растение наследовало по одному признаку от каждого из своих родителей. Кроме того, эти признаки имели одну из двух характеристик: они были либо доминантными, либо рецессивными. Последние (зеленый цвет бобов) проявлялись в следующем поколении, если потомство наследовало одни и те же рецессивные признаки от обоих родителей. В противном случае в следующем поколении проявлялись только доминантные признаки (желтый цвет бобов). Мендель обозначал такие характеристики большой буквой А, а рецессивные признаки – маленькой а. В своих подсчетах ученый выявил четыре равновероятные комбинации у потомства: AA, Aа, аA и аа. Эти обозначения используются по сей день, а признаки, к которым они отсылают, теперь известны как гены. Гены существуют в разных формах (связанных, например, с желтым или зеленым цветом боба), которые называются аллелями.
Именно в саду монастыря Святого Фомы Мендель обнаружил независимую природу наследования. Гены и сопряженные с ними черты никогда не смешиваются – кровь наших родителей не сливается воедино. Напротив, гены отделяются таким образом, что мы наследуем одну копию гена от каждого родителя. Гены всегда передаются нетронутыми из поколения в поколение – подобно жемчужинам на нити. И каждый родитель передает свое «ожерелье» детям. Особая комбинация этих жемчужин, которую мы получаем от своих отцов и матерей (то есть аллели, такие как Aa или aa), называется генотипом. Хотя и скрытый от наших глаз, он определяет виды белков, создаваемых в организме. Внешние характеристики организма являются результатом работы белков, наличие которых обусловлено генотипом. Совокупность этих признаков именуется фенотипом (например, зеленый или желтый цвет боба гороха). Это открытие положило начало современной генетике.
Мендель понял, что стоит на пороге большого открытия. Он опубликовал свои выводы в 1866 году в статье на 44 страницах журнала Брюннского общества естествоиспытателей, который можно было найти в лучших библиотеках того времени. Кроме того, он отправил 40 экземпляров статьи некоторым ведущим ученым со всего мира. Ответом было почти полное молчание. Кто-то прочитал его статью, но никто, казалось, не оценил в полной мере открытие. В ряду остальных ученых Мендель отправил экземпляр текста Чарлзу Дарвину. И тот получил статью в самый подходящий момент. Дарвину бросил вызов шотландский инженер Дженкин Флеминг. Он утверждал, что эволюция невозможна, так как разные признаки родителей смешиваются у их детей. Например, газель, которая может бежать немного быстрее, чем сородичи, с большей вероятностью выживет и передаст свои черты потомству. Но следующее поколение унаследует скорость передвижения не только этого животного, но и второго родителя, смешав эти признаки. И так будет происходить до тех пор, пока преимущество не пропадет вовсе. Модель независимого наследования Менделя показала, что признаки не смешиваются друг с другом в последующих поколениях. Это могло послужить прямым ответом на критику Дженкина. Увы, похоже, Дарвин так и не прочитал статью, которую послал ему Грегор.
Мендель прожил еще 18 лет после публикации своей статьи. Он продолжал экспериментировать с другими видами растений и пчелами, но не обнаружил таких же отчетливых доказательств независимого наследования, как в случае с горохом. Позднее, когда ученый стал настоятелем монастыря Святого Фомы, он был вынужден полностью отказаться от своих исследований. До самой смерти Менделя его достижения оставались практически неизвестными науке. Только через 16 лет после того, как Грегор умер, его работу заметили, а самого исследователя окрестили отцом генетики. Посмертная слава Менделя и его причисление к пантеону великих ученых сделали историю жизни этого человека лучом надежды для всех, кто считает, что их труды на ниве науки недооцениваются.
ДНК и синтез белков
Наши гены хранятся в 23 парах хромосом, которые находятся внутри ядер почти всех клеток тела. При образовании сперматозоидов и яйцеклеток в процессе мейоза их количество уменьшается до 23 одиночных хромосом в каждом сперматозоиде или яйцеклетке. Каждая из одиночных хромосом содержит рекомбинированные и переставленные уникальным образом гены, которые содержались в соответствующей исходной хромосомной паре. Подобно игрокам в покер, сперматозоиды и яйцеклетки получают уникальный набор генов из колоды хромосом в вашем теле. Вот почему братья и сестры (за исключением однояйцевых близнецов) никогда не дублируют друг друга. В среднем мы наследуем приблизительно половину генома от каждого родителя. Но эти комбинации различны для каждого брата и сестры, поэтому сиблинги делят около половины уникальных генетических маркеров друг с другом. Одна из 23 пар хромосом определяет пол. Как правило, женщины наследуют Х-хромосому от каждого родителя, поэтому у них есть пара Х-хромосом. Мужчины, напротив, получают Х-хромосому от матери и Y-хромосому от отца.
Каждая из наших хромосом представляет собой длинную непрерывную цепочку дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Она состоит из двух длинных полимерных молекул, закрученных одна вокруг другой в виде спирали. Эти две нитевидные молекулы, связанные в двойную спираль, состоят из строительных блоков – нуклеотидов. Это органические молекулы, в состав каждой из которых входит одно из четырех разных азотистых оснований (гуанин, аденин, тимин и цитозин), обозначающихся буквами G, A, T и C. У каждого нуклеотида есть пара – «супруг» из другой нити ДНК. То есть G всегда соединяется с C, а A – с T. В каждой человеческой клетке насчитывается около 3 млрд моногамных пар нуклеотидов. Подобно буквам алфавита, из которых можно составить почти бесконечное множество слов, из этих четырех нуклеотидов можно создать неизмеримое количество возможных комбинаций длиной, как правило, в несколько тысяч нуклеотидов. Они-то и образуют наши гены.
Работа генов заключается в экспрессии, или синтезе, белков. Когда ген экспрессируется, двойная спираль ДНК распускается, подобно тому как расстегивается молния. Синтезируется ее зеркальное отражение в виде цепи матричной РНК – аналогичной по строению длинной полимерной молекулы, которая связана с цепочкой нуклеотидов ДНК. Затем матричная РНК отделяется от молекулы ДНК и переходит к рибосоме, которая, по сути, является фабрикой по производству белка. Там на матрице РНК синтезируется уникальный белок. Удивительно, но основой всего многообразия белков человеческого организма – от нейрохимических веществ в мозге до эмали зубов – являются четыре нуклеотида, составляющих нашу ДНК. Именно определенная комбинация «букв» определяет тип белка. Таким образом, ДНК выполняет функцию хранения информации и работает как программный код, содержащий алгоритмы создания белков.
В организме человека приблизительно 21 тысяча генов, кодирующих белки. Они выстроены на всем протяжении хромосом. У других млекопитающих количество генов примерно такое же. А у многих растений их значительно больше. Например, у помидора более 30 тысяч
[24]. Может показаться, что число генов человека не так уж велико. Тем более что у нас много общих генов с другими видами (98 % с шимпанзе, 92 % с мышами, и даже у примитивных дрожжей примерно четверть генов совпадает с нашими)
[25]. До того как в 2003 году объявили результаты проекта «Геном человека», генетики предполагали, что фактическое количество человеческих генов гораздо больше. Мы обходимся столь небольшим их числом потому, что каждый ген удивительно многофункционален, а процесс экспрессии белков необычайно сложен. Во-первых, с одного гена может считываться несколько различных, но родственных белков, поэтому общее количество белков в наших телах во много раз превышает число генов. Более того, каждый из наших фенотипических признаков, таких как форма носа или толщина волос, как правило, является результатом взаимодействия разных генов. Для системы характерна чрезвычайная избыточность, и любой отдельный ген обычно оказывает лишь небольшое влияние на связанный с ним признак. Кроме того, наши гены экспрессируются по-разному с течением времени. Молекулярные сигналы, зачастую в ответ на специфические изменения окружающей среды, точно определяют, когда и где будет экспрессирован конкретный ген. В среднем каждый белок существует около 80 дней – до тех пор, пока не экспрессируется новый
[26].
