История ДНК: как расшифровка генома изменила современную медицину

Разгадывать тайну строения ДНК ученые начали еще в 1869 году

Швейцарский врач Фридрих Мишер изучал лейкоциты и в процессе работы обнаружил неизвестное вещество, которое назвал нуклеином. Оно не походило ни на белки, ни на жиры, а его свойства оставались загадкой. Только через 75 лет биолог Освальд Эвери смог доказать, что именно эта молекула содержит наследственную информацию. Это был переломный момент!

Постепенно данные накапливались, ученые собирали пазл. Например, биохимик Эрвин Чаргафф заметил странную закономерность. В нуклеиновой молекуле есть четыре типа химических «кирпичиков». И оказалось, что количество одних всегда равно количеству других. Причем они делятся на две пропорциональные пары. Почему так, он объяснить не мог.

Физики Розалинд Франклин и Морис Уилкинс в Лондоне просвечивали загадочную молекулу рентгеновскими лучами и видели на снимках нечто, напоминающее букву Х. Именно эти изображения подтолкнули биологов Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика к сенсационному открытию — в 1953 году они предложили модель двойной спирали и увидели две нити, закрученные одна вокруг другой.

Ученые обнаружили, что эти нити идеально подходят друг другу, а соединения образуют пары: аденин всегда соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином. Эта модель помогла понять главное свойство ДНК — молекула умеет саму себя копировать, а значит, так передается наследственная информация.

За это открытие Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик и Морис Уилкинс в 1962 году получили Нобелевскую премию, а наука приблизилась к разгадке тайн ДНК. Уже к 70-м годам ученые узнали, как устроен генетический код и как информация, записанная в ДНК, превращается в работающие белки.

Выяснилось, что сначала ДНК копирует себя, затем с нужного участка считывается копия в виде РНК. Затем на основе этой копии из аминокислот образуются белки — главные рабочие инструменты организма. Они строят клетки и ткани, переносят кислород, регулируют пищеварение и сокращение мышц, защищают организм от вирусов и бактерий, помогают передавать сигналы между клетками. Словом, обеспечивают функционирование всех органов и систем.

Примерно в это же время — в 70-х годах — начинается развитие генной инженерии

Ученые поняли: если ДНК хранит инструкции, то хорошо бы научиться их читать.

В 1977 году биохимик Фредерик Сэнгер придумал, как это сделать. Метод назвали секвенированием (от латинского sequi — «следовать по порядку»). Теперь ученые могли взять любой ген и выяснить его точную последовательность. То есть узнать, в каком порядке «буквы» А, Т, Г, Ц выстроены в этом гене. Ведь именно от этого зависит, что будет «написано» в инструкции для сборки белка.

В 1983 году биохимик Кэри Муллис предложил метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), который позволил многократно копировать нужные кусочки ДНК, чтобы изучать их.

Вершиной всех этих достижений стал проект «Геном человека», который начался в 1990 году и длился 13 лет. Благодаря ему удалось прочитать по порядку все 3 миллиарда «букв» ДНК, из которых состоят хромосомы, определить расположение всех генов и понять, за что каждый из них отвечает.

В процессе расшифровки генома для ученых открылись новые перспективы: если генетическую информацию можно «прочитать», то хотелось бы иметь возможность менять ее. В 90-е годы началось активное изучение гомологичной рекомбинации: проводя опыты на мышах, специалисты по генной инженерии научились «выключать» некоторые гены, ответственные за развитие определенных болезней. А в 2000-х годах появились инструменты, которые умеют разрезать ДНК ровно в нужном месте. Генетики вставляют туда другой кусочек ДНК, а клетка сама «ремонтирует» повреждение. Так появилась возможность редактировать гены.

Прорывом в генном редактировании стало открытие технологии CRISPR-Cas9, которое в 2012 году совершили биохимик Дженнифер Даудна и микробиолог Эмманюэль Шарпантье. По сути они изобрели «генетические ножницы» с точной системой наведения, за что получили Нобелевскую премию.

Методы генетического редактирования совершенствуются и активно используются в медицине

С их помощью уже лечат серповидно-клеточную анемию, некоторые наследственные болезни и даже рак.

Новые возможности генной инженерии ставят перед научным миром сложные вопросы морали. В 2018 году китайский ученый Хэ Цзянькуй заявил, что с помощью CRISPR-Cas9 на свет появились девочки-двойняшки с измененным геномом. Он хотел сделать их невосприимчивыми к ВИЧ, для этого отредактировал гены еще на стадии эмбрионов.

Заявление вызвало шок и большой спор: ученых беспокоит, есть ли какие-то последствия для здоровья девочек с отредактированными генами и как это может отразиться на их потомстве. Хэ Цзянькуй работал скрытно, без одобрения властей, позже был осужден в Китае и провел три года в тюрьме. Но главный вопрос остался: где проходит граница между лечением болезней и попыткой «улучшать» людей?

Так или иначе, открытия в генной инженерии меняют медицину. С помощью изучения генов врачи могут предвидеть болезни, оценивают риски и предотвращают осложнения. Генетические тесты становятся более точными, их возможности возрастают: полногеномное секвенирование позволяет изучить почти всю наследственную информацию человека. Это помогает выявить даже редкие генетические особенности с высокой точностью, находить индивидуальный подход к лечению, разрабатывать онковакцины.

Генетические исследования широко применяются и в репродуктивной медицине. Перед зачатием парам рекомендуют пройти кариотипирование, чтобы оценить строение и количество хромосом, и сдать анализы на носительство мутаций. Ищут скрытые поломки в генах, которые у самих родителей могут никак не проявляться, а у ребенка способны спровоцировать развитие тяжелых болезней, в том числе муковисцидоза, спинальной мышечной атрофии и других подобных генетических проблем. 

В программах ЭКО активно применяют преимплантационную диагностику. До переноса в полость матки эмбрион проверяют на генетические нарушения, что повышает шансы на успешную беременность и снижает риск выкидыша.

С 9–10-й недели беременности можно сделать НИПТ — неинвазивный пренатальный тест. Его проводят по крови матери, из которой выделяют ДНК плода. Тест позволяет с высокой точностью оценить вероятность развития у ребенка распространенных врожденных синдромов. В том числе риск синдрома Дауна, трисомии по 13-й и 18-й хромосоме и других аномалий, связанных с потерей маленьких участков хромосом. При этом обследование совершенно безопасно и не грозит прерыванием беременности, как многие инвазивные методы.

С момента открытия ДНК прошло не так уж много времени, а представить современный мир без генетики уже невозможно. Сегодня она стала ключом для создания персонализированной медицины, когда решения о сохранении здоровья принимаются с учетом уникального генома каждого человека.

Источники: 

1. С. М. Мамедова К 50-летию открытия структуры ДНК // Биомедицина (Баку). 2003. №1.
2. Каретин Юрий Александрович Фрактальная организация первичной структуры ДНК // Biological Communications. 2016. №1.
3. Морозов И. В. Как читают гены // Наука из первых рук. 2009. №3 (27).
4. Ковалевич Александр, Падутов Владимир, Баранов Олег Полногеномное секвенирование — новый этап генетических исследований // Наука и инновации. 2015. №147.
5. Гнатик Екатерина Николаевна Расшифровка генома человека: успехи, проблемы, перспективы // Вестник РУДН. Серия: Философия. 2016. №1.
6. Полтева Е. А., Ларкина Т. А., Пегливанян Г. К., Баркова О. Ю. ПУТЬ СТАНОВЛЕНИЯ СИСТЕМЫ CRISPR/CAS9 КАК ИНСТРУМЕНТА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ ЖИВОТНЫХ // Известия НВ АУК. 2023. №1 (69).
7. Шамсиева К. М., Шамсиева К. М. CRISPR/CAS9 В ЛЕЧЕНИИ ЗАБОЛЕВАНИЙ И ЕГО НЕДОСТАТКИ // Экономика и социум. 2026. №2-2 (141). 
8. Селентьева А. А. НИПТ, современные перспективы пренатальной диагностики // FORCIPE. 2019. № Приложение. 
9. Watson J.D., Crick F.H.C. Molecular structure of nucleic acids: A structure for deoxyribose nucleic acid. Nature. 1953; 171: 737-738. 10. Chargaff E., Zamenhof S., Green C. Composition of human desoxypentose nucleic acid. Nature. 1950; 165(4202): 756-757. 11. Dahm R. Friedrich Miescher and the discovery of DNA. Developmental Biology. 2005; 278(2): 274-288.