Еще один пример использования анализа ДНК можно продемонстрировать на все том же вирусе иммунодефицита человека. В 1992 году в журнале Science была опубликована статья, описывающая драматичную историю, которая развернулась в США⁹³. Семерым пациентам врача-стоматолога, больного СПИДом, поставили диагноз ВИЧ-инфекции. Причем пятеро из семи пациентов не имели очевидных факторов риска заражения: не занимались незащищенным сексом, не принимали внутривенно наркотики.

Учитывая, что через кабинет врача проходит довольно много людей, могло иметь место простое совпадение. Провели анализ генов, кодирующих вирусную оболочку ВИЧ из образцов пациентов, дантиста и группы людей из того же региона, зараженных ВИЧ, но не ходивших к данному стоматологу. Оказалось, что гены ВИЧ пяти из упомянутых пациентов очень похожи на гены ВИЧ врача, причем сходства было намного больше, чем с генами ВИЧ других людей.

Гены ВИЧ двух оставшихся пациентов сильно отличались от генов ВИЧ стоматолога, поэтому было заключено, что пять пациентов заразились в кабинете врача, а двое, скорее всего, где-то еще. ВИЧ мутирует так быстро, что, глядя на последовательности его генов у разных людей, заразившихся даже с небольшим интервалом времени, мы можем достоверно восстановить историю заражений. Примерно такой же сравнительный генетический подход используется для установления отцовства и иных родственных связей между людьми или для установления родства между живыми организмами разных групп. В последнем случае на основании степени сходства генетических последовательностей организмов строятся филогенетические деревья (что-то вроде родословной). Такие деревья показывают, что ближайший современный родственник человека – шимпанзе, что летучие мыши и дельфины генетически ближе к хомячкам и коровам, чем к птицам и рыбам.

Наверное, во избежание паники и распространения кариеса стоит подчеркнуть, что риск заражения ВИЧ в кабинете стоматолога ничтожно мал и связан с нарушением правил гигиены и несоблюдением стерильности медицинского оборудования.

Вот еще одна история о необычном применении методов генетического анализа. Вши, живущие в волосах человека, имеют существенные отличия от вшей, живущих на его одежде, – как в поведении, так и в устройстве тела. Отличаются они и генетически. Понятно, что до появления вшей, приспособленных к жизни в человеческой одежде, должна была появиться сама эта одежда, то есть, изучая генетические отличия человеческих вшей, можно примерно оценить, как давно люди стали одеваться. Для этого нужно лишь знать, сколько мутаций накопилось с момента расхождения двух популяций вшей, сколько новых мутаций возникает в геноме вшей за одно поколение и как быстро происходит смена поколений. Учитывая эти данные, эволюционный биолог Мелисса Тоупс с коллегами пришли к выводу, что одежду наши предки начали носить около ста тысяч лет назад⁹⁴.

Сегодня мы знаем, что мутации в генах приводят к генетическому разнообразию. У людей на геном в три миллиарда нуклеотидов приходится около трех миллионов отличий между парами хромосом, доставшимися от папы и мамы, – разных аллелей⁹⁵. Существование аллелей генов было предсказано задолго до открытия молекулы ДНК. Еще в середине XIX века чешский монах Грегор Мендель установил не только существование генов как дискретных единиц передачи наследственной информации, но и законы наследования этих генов, а также тот факт, что один и тот же ген может присутствовать в нескольких вариантах. Мендель пришел к этому выводу, изучив закономерности наследования признаков у гороха.

Горох бывает с красными цветками, а бывает с белыми. Горох способен самоопыляться. Если горох самоопыляется в течение нескольких поколений, можно вывести “чистые линии” гороха по признаку “окраска цветков”. Что такое чистая линия гороха? Это, например, такой горох с красными цветками, который при самоопылении всегда дает горох с красными цветками, то есть при скрещиваниях в рамках чистой линии признак сохраняется из поколения в поколение. Мендель обнаружил, что если скрестить чистые линии гороха с красными цветками и гороха с белыми цветками, то в первом гибридном поколении все потомки будут с красными цветками. Признак “красные цветки” Мендель назвал доминантным. Признак “белые цветки” был назван рецессивным.

Мендель выяснил, что если скрещивать особи гороха из первого гибридного поколения (все с красными цветами) друг с другом, то примерно ¾ их потомков унаследуют красные цветки, но ¼ унаследует белые. Это согласовывалось с наблюдением, что у внуков могут проявляться какие-то признаки их дедушек и бабушек, которые не проявлялись у родителей. В данном случае унаследованный признак белых цветков незаметно сохранялся в растениях гороха с красными цветками. Мендель исследовал более 29 тысяч особей гороха, и такая большая выборка позволила ему показать, что данное соотношение 3:1 доминантных признаков к рецессивным у “внуков” близко к математически точному. Это навело его на мысль, что в основе наследования генетической информации лежат некие дискретные невидимые невооруженным глазом сущности. Впоследствии эти сущности были изучены и названы генами.

Если бы Мендель изучал генетику людей и экспериментировал с чистыми линиями нашего вида (если бы это было возможно), он мог бы обнаружить много похожих эффектов, связанных с тем, что один вариант гена доминирует над другим. У людей зеленый цвет глаз, как правило, доминирует над голубым, а шестипалость над пятипалостью (просто мутация очень редкая). На самом деле это немного упрощенное представление, так как даже самые простые признаки редко определяются лишь одним геном. Но Менделю повезло – он выбрал очень удачную модель, максимально приближенную к идее “один ген – один признак”.

Открытие молекулы ДНК и ее роли в передаче наследственной информации заслуживает отдельного упоминания. Молекула ДНК была открыта в 1869 году швейцарским биологом Иоганном Фридрихом Мишером. Мишер научился выделять это вещество и дал ему название “нуклеин”, а также показал, что нуклеин обладает кислотными свойствами (ДНК – это дезоксирибонуклеиновая кислота). Примерно в это время возникли первые предположения, что молекула ДНК может быть связана с передачей наследственной информации, но никаких убедительных доказательств этому еще не было. ДНК была лишь одной из множества молекул, которые удалось обнаружить в живых клетках.

В 1928 году английский генетик и врач Фредерик Гриффит провел знаменитые эксперименты, показавшие возможность передачи наследственной информации в пробирке⁹⁶. Гриффит использовал две разновидности бактерий пневмококков. Первая – патогенные пневмококки, которые вызывают смертельную инфекцию у мышей. Вторая – безобидные пневмококки. Гриффит показал, что убитые нагреванием патогенные пневмококки не вызывают инфекции, но если смешать мертвых патогенных пневмококков и живых непатогенных, то можно получить живых патогенных пневмококков. Очевидно, “патогенность” каким-то образом может передаваться от мертвых бактерий живым. Экстракт, содержащий мертвых патогенных пневмококков, сохранял какую-то сущность, некую молекулу, несущую наследуемый признак. Но ученых по-прежнему интересовал вопрос: что это за молекула?

К тому времени круг поиска сузился до трех типов молекул, которые в большом количестве присутствовали во всех живых организмах: ДНК, РНК и белки. В 1944 году американские биологи Освальд Эвери, Колин Маклеод и Маклин Маккарти провели простой и красивый эксперимент. В их распоряжении имелись ферменты, которые умели избирательно разрушать ДНК, РНК или белки. Были повторены опыты Гриффита с тем изменением, что экстракт мертвых патогенных пневмококков перед смешением с непатогенными живыми пневмококками обрабатывался одним из перечисленных типов ферментов. Оказалось, что, если обработать экстракт, полученный из мертвых патогенных пневмококков, ферментами, которые разрушат РНК или белки, передача наследственной информации все равно произойдет, и зараженная пневмококком мышка умрет. Но если разрушить ДНК, пневмококки остаются безобидными, мышка живет. Так было установлено, что “трансформирующим агентом” в эксперименте Гриффита являлась именно молекула ДНК⁹⁷.