ДНК: два метра в каждой клетке

Четыре буквы

ДНК, дезоксирибонуклеиновая кислота, это очень длинная молекула-цепочка. Её звенья называют нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из сахара, остатка фосфорной кислоты и одного из четырёх азотистых оснований. Основания и есть «буквы» генетического текста: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц).

Молекула ДНК состоит из двух цепочек, закрученных друг вокруг друга. Основания одной цепочки соединяются с основаниями другой строго парами: А всегда напротив Т, а Г напротив Ц. Это правило называют комплементарностью. Пары держатся водородными связями: между А и Т их две, между Г и Ц три.

Благодаря комплементарности по одной цепочке всегда можно восстановить вторую. Именно так ДНК копируется перед делением клетки: спираль расплетается, и к каждой половине достраивается новая пара.

Как два метра помещаются в ядро

В клетке человека около трёх миллиардов пар нуклеотидов в каждом из двух наборов хромосом, от мамы и от папы. Расстояние между соседними парами примерно третья часть нанометра. Если перемножить, выходит около двух метров ДНК на клетку. А диаметр ядра, где она лежит, несколько тысячных миллиметра.

Представьте, что нужно уложить сорок километров тончайшей нити в теннисный мячик, причём так, чтобы любой её кусок можно было быстро достать и прочитать. Клетка решает эту задачу в несколько уровней. Сначала нить наматывается на белковые «катушки», гистоны, как нитка на шпульку. Катушки собираются в более толстое волокно, волокно складывается в петли, а петли перед делением клетки сжимаются в плотные палочки, хромосомы. У человека их 46.

Если вытянуть в одну нить ДНК из всех клеток тела взрослого человека, её длина составит десятки миллиардов километров, это во много раз больше расстояния от Земли до Солнца.

Как открыли двойную спираль

Саму ДНК нашёл швейцарский врач Фридрих Мишер ещё в 1869 году в гное с больничных повязок. Он назвал вещество нуклеином, потому что оно было в ядрах клеток. Но почти сто лет никто не верил, что эта скучная молекула из четырёх повторяющихся частей может хранить наследственность. Думали, что это делают белки.

В конце 1940-х годов биохимик Эрвин Чаргафф заметил закономерность: в ДНК любого организма аденина столько же, сколько тимина, а гуанина столько же, сколько цитозина. Объяснить это правило тогда не мог никто.

В 1952 году британский физик Розалинд Франклин получила рентгеновский снимок ДНК, знаменитую «фотографию 51». По ней было видно, что молекула закручена в спираль. Без её ведома снимок показали Джеймсу Уотсону, и вместе с Фрэнсисом Криком они в 1953 году построили модель двойной спирали, где правило Чаргаффа получилось само собой: А в паре с Т, Г в паре с Ц.

В 1962 году Уотсон, Крик и Морис Уилкинс получили Нобелевскую премию. Франклин умерла в 1958 году в 37 лет, а посмертно премию не дают. Сегодня её вклад признают одним из решающих.

Геном человека

Проект по прочтению генома человека шёл с 1990 по 2003 год и стоил около трёх миллиардов долларов. Последние трудные участки дочитали только в 2022 году. Сейчас прочитать геном одного человека стоит несколько сотен долларов и занимает дни.

Выяснилось, что генов, кодирующих белки, у человека около двадцати тысяч, меньше, чем ждали. А сами гены занимают лишь около полутора процентов ДНК. Остальное долго называли «мусорной ДНК», но оказалось, что многие участки управляют работой генов: когда и в какой клетке ген включается.

Мифы о ДНК

• «У нас 60 % ДНК общих с бананом». Так пересказывают сравнение генов, а не всей ДНК: у человека и банана есть похожие гены для базовой работы клетки. Если сравнить последовательности целиком, сходство гораздо меньше.
• «Человек и шимпанзе совпадают на 99 %». Это ближе к правде для сравнимых участков, но даже один процент от трёх миллиардов пар это десятки миллионов различий.
• «Есть ген ума, ген лени». Почти все сложные качества зависят от сотен генов и от среды. Отдельного гена у них нет.

А вот факт, похожий на миф: ДНК может служить хранилищем данных. В 2017 году учёные записали в ДНК фильм, операционную систему и другие файлы и прочитали их без ошибок. Теоретически в одном грамме ДНК помещаются сотни миллионов гигабайт.

Задачи ЕГЭ

Как по ДНК найти белок через иРНК и таблицу генетического кода, разобрали в статье о задачах на биосинтез белка, а как ДНК редактируют генными ножницами, в статье о CRISPR.

Частые вопросы