Objevování zákonů dědičnosti. Hlavní vzorce dědičnosti vlastností stanovené G. Mendelem: popis a funkce Kodominance a neúplná dominance

KAPITOLA 8 Vyřešte Boží kód: objev genetiky a DNA

Jednoho krásného dne na úsvitu civilizace, na krásném řeckém ostrově Kos, v křišťálově čistých vodách Egejského moře, mladá žena, představitelka šlechtického rodu, tiše pronikla zadními dveřmi do chrámu z kamene a mramor - Asklepion - požádat jednoho z prvních a nejznámějších lékařů na světě. V zoufalé snaze o radu stydlivě řekla Hippokratovi o svém neobvyklém problému. Žena nedávno porodila chlapce. A přestože byl zdravý a kyprý, Hippokrates se stačil podívat na dítě zavinuté do zavinovaček a na svou bílou matku, aby stanovil diagnózu. Tmavá barva kůže miminka výmluvně svědčila o matčině vášnivé vášni pro afrického obchodníka. Pokud by se informace o nevěře dostaly na veřejnost, propukl by skandál, po ostrově by se rychlostí lesního požáru rozšířily drby a způsobily vážné rozhořčení jejího manžela.

Ale Hippokrates – který věděl o dědičnosti a genetice přesně tolik, co kdo mohl vědět v 5. století před naším letopočtem. E. okamžitě nabídl vysvětlení. Některé rysy dětí mohou být skutečně zděděny po otcích, ale koncept „mateřských dojmů“ nebyl brán v úvahu. Děti by podle ní mohly získat rysy, které vznikají podle toho, na co se jejich matky v těhotenství dívaly. Jak tedy Hippokrates svého návštěvníka přesvědčil, dítě s největší pravděpodobností získalo negroidní rysy během těhotenství, protože nastávající matka příliš pozorně studovala portrét Etiopanky, který - to se stalo - visel na stěně její ložnice.

Od záhad ke genetické revoluci

Od nejstarších dob civilizace až do konce průmyslové revoluce se lidé ze všech společenských vrstev s odvahou – někdy hraničící s hloupostí – pokoušeli odhalit tajemství dědičnosti. Ještě dnes žasneme nad tím, jak se vlastnosti dědí z generace na generaci. Kdo z nás by neznal překvapení při pohledu na vlastní dítě nebo sourozence ve snaze zjistit, od koho dostal tu či onu vlastnost: mírně pokřivený úsměv, barvu pleti, vzácnou inteligenci nebo její nedostatek, perfekcionismus nebo sklon k lenosti? Kdo by se nedivil, proč dítě převzalo tyto zvláštní vlastnosti od své matky, přesně tyto vlastnosti od svého otce nebo proč se bratři a sestry od sebe někdy tak liší?

A to jsou jen ty nejzřetelnější otázky. Ale co vlastnosti, které jakoby během jedné generace vymizely a pak se objevily u vnoučat? Mohou rodiče dětem předávat vlastnosti „nabyté“ během života: dovednosti, znalosti, dokonce i zranění? Jakou roli hraje prostředí? Čím to je, že v některých rodinách stejná nemoc pronásleduje všechny generace, zatímco jiné mají dobré zdraví a neuvěřitelnou dlouhověkost? A možná nejznepokojivější otázka: jak přesně se vysílá „časovaná bomba“, která určuje, co a kdy zemřeme?

Až do 20. století by se všechny tyto záhady daly shrnout do dvou jednoduchých otázek. Řídí se dědičnost nějakými pravidly? A jak?

Překvapivě, aniž by vůbec chápalo, jak nebo proč se některé vlastnosti předávají z generace na generaci, lidstvo se s těmito záhadnými jevy už dávno nějak vypořádalo. Po tisíce let – v pouštích, stepích, lesích a údolích – lidé křížili různé rostliny a různá zvířata, aby získali požadované vlastnosti a někdy i nové organismy. Rýže, kukuřice, ovce, krávy, koně byly větší, silnější, tvrdší, chutnější, přátelštější a produktivnější. Samice koně a samec osla vytvořili mezka, který byl silnější než jeho matka a chytřejší než jeho otec. Lidé, kteří přesně nechápali, jak to funguje, použili dědičnost k vytvoření zemědělství, bohatého a spolehlivého zdroje potravy, který přispěl k vzestupu civilizace a přeměně lidstva z hrstky nomádů na miliardovou populaci.

Teprve za posledních 150 let (nebo spíše 60) jsme to začali chápat. Nerozuměli všemu, ale dost na to, aby rozluštili základní zákonitosti, rozebrali je na části, poukázali na samotnou podstatu dědičnosti a uplatnili nové poznatky, způsobující převratné změny téměř ve všech oblastech medicíny. A možná víc než jakýkoli jiný průlom je tento průlom jako pomalá exploze. Objev dědičnosti a toho, jak DNA, geny a chromozomy umožňují předávání různých vlastností z generace na generaci, je dlouhá práce, která je z velké části nedokončená.

Dokonce i po roce 1865, kdy první revoluční experiment ukázal, že dědičnost se skutečně řídí souborem pravidel, si vyžádalo další objevy – od objevu genů a chromozomů na konci 19. století po určení struktury DNA v 50. letech – aby vědci začali chápat, jak to vlastně funguje. Trvalo století a půl, než jsme přišli na to, jak se určité rysy předávají z rodiče na dítě a jak z maličkého vajíčka bez jakýchkoli vlastností může vyrůst člověk se 100 biliony buněk a mnoha individuálními vlastnostmi.

Ale stále jsme na začátku cesty. Objev genetiky a DNA byl sice revoluční, ale zároveň otevřel Pandořinu skříňku, odhalující nesčetné množství ohromujících a zpochybňujících možností, od stanovení genetických příčin nemocí a genetické terapie, která je dokáže vyléčit, až po „personalizovanou“ medicínu. které léčí závisí na jedinečném genetickém profilu pacienta. Nemluvě o četných revolucích spojených s genetikou, včetně využití DNA k řešení zločinů, sestavování rodokmenů a jednoho dne – kdo ví – vybavit děti určitým talentem pro náš uvážení.

A mnoho let po Hippokratově éře byli lékaři stále fascinováni myšlenkou „mateřských dojmů“. Důkazem toho jsou tři případy, které se staly v XIX - začátkem XX století.

Žena v sedmém měsíci těhotenství se zděsila při pohledu na hořící dům v dálce. Pokaždé se vyděsila při pomyšlení, že by to mohl být její domov. Dům jí sice nevyhořel, ale děsivý obraz plamene jí zůstal „neustále před očima“ i během těhotenství. Dívka, která se narodila o několik měsíců později, měla na čele červenou skvrnu ve tvaru plamenů.

Těhotná žena, která viděla dítě s rozštěpem rtu, měla z toho takové obavy, že se inspirovala: její dítě se narodí se stejnou vadou. A tak se stalo: o 8 měsíců později se její dítě narodilo s rozštěpem rtu. A to není celý příběh. Případ byl medializován a na dítě se přišlo podívat několik těhotných žen. Tři z nich později porodily také děti s rozštěpem rtu.

Další žena v sedmém měsíci těhotenství byla nucena usadit ve svém domě sousedovu dívku, protože její matka vážně onemocněla. Dívka často pomáhala hostitelce s domácími pracemi a žena neustále koukala na svůj prostředníček, který se kvůli nehodě v prádelně zachoval jen částečně. Žena díky tomu porodila dítě, které bylo zcela zdravé – kromě absence prostředníčku na levé ruce.

Boření mýtů: Záhada nepřítomnosti miminek bez hlavy

Když vezmeme v úvahu, jak daleko věda za posledních 150 let pokročila, lze si představit, jak naši předkové vysvětlovali, jak se dědí vlastnosti. Takže například lékaři z doby Hippokrata věřili, že během početí muž a žena dávají dítěti „drobné částice“ každého orgánu a smíchání těchto částic vám umožňuje přenést určité rysy. Ale Hippokratovu teorii – později nazývanou pangeneze – brzy vyvrátil řecký filozof Aristoteles. Nevysvětlila, jak se mohou vlastnosti předávat z generace na generaci. Aristoteles měl jistě své originální nápady. Například věřil, že děti dostávají fyzické rysy skrze matčinu menstruační krev a duše k nim přichází skrze otcovo sperma.

Protože tehdy neexistovaly mikroskopy ani jiné vědecké přístroje, není divu, že otázka dědičnosti zůstávala více než 2000 let záhadou. Ještě v 19. století lidé většinou věřili, stejně jako Hippokrates, v „doktrínu mateřského dojmu“: myšlenku, že rysy nenarozeného dítěte mohou být ovlivněny tím, co žena během těhotenství vidí, zvláště pokud jsou nějaké šokující nebo děsivé věci. V lékařských časopisech a knihách byly popsány stovky případů, kdy se ženám, které zažily emoční stres z toho, co viděly (obvykle zmrzačení nebo deformace), později narodily děti, u kterých bylo zjištěno, že mají podobné vady. Pravda, již na počátku 19. století se v této teorii objevily pochybnosti. "Pokud může mít sledování něčeho šokujícího takový účinek," napsal skotský autor The Home Medicine, William Buchan, "tak kolik dětí bez hlavy se muselo narodit ve Francii za kruté vlády Robespierra?"

Ale mnoho podivných mýtů přežilo až do poloviny 19. století. Například byla velmi populární fáma, že muži, kteří přišli o končetiny v důsledku zranění dělem, měli děti bez rukou a nohou. Další častou mylnou představou je, že „získané vlastnosti“ (dovednosti nebo znalosti, které člověk nasbírá po celý život) mohou být předány dítěti. Jeden spisovatel koncem 30. let 19. století psal o Francouzovi, který se naučil mluvit anglicky ve velmi krátké době, pravděpodobně zdědil svůj talent po anglicky mluvící babičce, kterou nikdy v životě neviděl.

A jeden spisovatel z 19. století sebevědomě prohlásil, že dítě dostává „muskuloskeletální orgány“ od otce a „vnitřní nebo životně důležité orgány“ od matky. Stojí za zmínku, že základem této rozšířené teorie byl vzhled mezků.

První směny: mikroskopy pomáhají najít hlavní příčinu

Až do konce 19. století, navzdory vědeckým pokrokům, které se staly základem revolučních průlomů v mnoha oblastech medicíny, byla dědičnost považována za proměnlivou přírodní sílu. Vědci se zároveň nemohli shodnout na tom, odkud pochází, a rozhodně nechápali, jak k tomuto procesu dochází.

První pokroky ve formování teorie dědičnosti se objevily na počátku 19. století, částečně díky zdokonalení mikroskopu. Od chvíle, kdy dánští výrobci brýlí Hans Jansen a jeho syn Zachary vynalezli svůj první mikroskop, uplynulo více než 200 let a na počátku 19. století technická vylepšení konečně vědcům umožnila podívat se blíže na „místo činu“ – buňku. Silný posun nastal v roce 1831, kdy skotský vědec Robert Brown objevil, že mnoho buněk obsahuje drobnou tmavou centrální strukturu, kterou nazval jádro. A ačkoli role, kterou buněčné jádro hrálo ve věcech dědičnosti, zůstala několik desetiletí neznámá, Brown alespoň našel místo studovaných procesů.

Téměř o deset let později britský lékař Martin Barry studoval scénu ještě dále. Zjistil, že k oplodnění dochází, když mužská spermie vstoupí do ženského vajíčka. Ano, dnes to zní banálně, ale ještě před pár desítkami let byl populární mýtus, že každé neoplodněné vajíčko obsahuje malinké „prázdno“ člověka a úkolem spermie je probudit ho k životu. Navíc až do poloviny 19. století většina lidí netušila, že na početí se podílí pouze jedna spermie a jedno vajíčko. A bez znalosti této prosté rovnosti (1 vejce + 1 spermie = 1 dítě) nebyly možné ani první infantilní krůčky ke skutečnému pochopení dědičnosti.

Konečně se v roce 1856 objevil muž, který o této rovnosti nejen věděl, ale byl také připraven věnovat deset let svého života rozluštění záhady. A přestože jeho práce může působit naprosto idylicky (pracoval na útulné zahrádce), jeho experimenty byly s největší pravděpodobností neuvěřitelně pracné. Udělal něco, na co se předtím nikdo ani neodvážil, vypěstoval desítky tisíc výhonků hrachu a pečlivě zdokumentoval, jak se jejich malé výhonky chovaly v každé generaci. Později, ne bez hrdosti, napsal: "K provedení tak rozsáhlého díla je jistě zapotřebí určité odvahy."

Když však Gregor Mendel v roce 1865 dokončil své dílo, odpověděl na otázku, kterou si lidstvo kladlo po tisíciletí: dědičnost není určována náhodou nebo proměnlivostí, ale určitými pravidly. Příjemným bonusem – kromě spíže s hráškem – bylo, že Mendel založil vědu zvanou genetika.

Milník #1

Od hrachu k vědeckým principům: Gregor Mendel a zákony dědičnosti, které objevil

Johann Mendel, narozený v roce 1822 v rolnické rodině v moravské vesnici (nyní v České republice), lze považovat buď za nejúžasnějšího kněze v dějinách náboženství, nebo za nejneuvěřitelnějšího badatele v dějinách vědy. A možná obojí. Jeho intelektuální schopnosti jsou nepopiratelné: Mendel v mládí studoval tak skvěle, že mu jeden z jeho učitelů doporučil návštěvu Augustového kláštera v nedalekém městě Brunn. To byl v tehdejší době obvyklý způsob, k němuž se chudí uchýlili, aby získali vzdělání. Tam přijal nové jméno Gregor. Když Mendel v roce 1847 (ve věku 26 let) přijal kněžství, působil dojmem muže vhodného pro vědeckou činnost. Mendel rád učil fyziku a matematiku ve škole, ale neuspěl u zkoušky na učitelský průkaz. Aby se po takovém neúspěchu rehabilitoval, odešel na čtyři roky na vídeňskou univerzitu, kde studoval širokou škálu předmětů, včetně kurzů matematiky a fyziky (vyučoval Christian Doppler) a přírodních věd. Po návratu do opatství v roce 1853 získal Mendel místo učitele na střední škole v Brně a v roce 1856 se pokusil složit licenční zkoušku podruhé.

A opět selhal.

Přestože Mendel neuspěl u učitelské zkoušky, vzdělání, které získal – včetně kurzů pěstování ovoce, anatomie a fyziologie rostlin a experimentálních metod – se zdálo být předurčeno k něčemu mnohem důležitějšímu. Jak dnes víme, již v roce 1854, dva roky předtím, než neuspěl u druhé učitelské zkoušky, prováděl Mendel pokusy v zahradě opatství, kde pěstoval různé druhy hrachu, analyzoval jejich vývoj a plánoval ještě větší pokusy, které prováděl ven za pouhých pár let.

Eureka: 20 tisíc hybridů, jednoduchý poměr a tři důležité zákony

O čem Mendel přemýšlel, když v roce 1856 zahájil svůj slavný experiment s hráškem? Za prvé, tento nápad ho nenapadl z ničeho nic. Jak už to tak bývá, křížení různých rostlinných a živočišných druhů je dlouhodobě předmětem zájmu zemědělců na Moravě, kteří se snaží zkvalitnit své okrasné květiny, ovocné stromy a ovčí vlnu. A i když Mendelovy experimenty mohly být částečně vedeny touhou pomoci místnímu zemědělství, zjevně ho také zaujaly vážné otázky dědičnosti. Ale pokud se někdy pokusil s někým podělit o své myšlenky, s největší pravděpodobností se setkal se zmatkem. Vědci tehdy nepředpokládali, že by jednotlivé charakteristiky mohly být předmětem studia. V souladu s tehdy existující teorií vývoje se mísí z generace na generaci a nelze je studovat odděleně. Takže samotná myšlenka Mendelova experimentu (srovnání vlastností hrachu v měřítku mnoha generací) byla v té době výstřední (to ještě nikoho nenapadlo) a – což není náhodné – geniální vhled.

Mendel si přitom pouze kladl stejné otázky, jaké si kladli již mnozí před ním: proč určité vlastnosti – ať už je to holohlavý dědeček nebo hlasové schopnosti tety – v jedné generaci mizí a v jiné se objevují znovu? Proč se některé rysy náhodně objevují a mizí, zatímco jiné, jak řekl Mendel, se znovu objevují s „úžasnou pravidelností“? Ke studiu této otázky potřeboval Mendel organismus, který měl dvě klíčové vlastnosti: vlastnosti, které by bylo možné snadno detekovat a kvantifikovat, a krátký reprodukční cyklus, aby se mohly relativně rychle objevit nové generace. A tak štěstí rozhodlo, že Mendel objevil požadovaný organismus na svém vlastním dvoře: byl to Pisum sativum, obyčejný hrách. Začal ji pěstovat v opatské zahradě v roce 1856 a zaměřil se na 7 vlastností: barvu květů (fialová nebo bílá), umístění květů (na stonku nebo nahoře), barvu semen (žlutá popř. zelená), tvar semen (kulaté nebo vrásčité), barva lusku (zelená nebo žlutá), tvar lusku (plný nebo vrásčitý), výška výhonku (velká nebo malá).

Během následujících 8 let Mendel vypěstoval tisíce rostlin, pečlivě analyzoval a kategorizoval jejich vlastnosti po mnoho generací. Byla to neuvěřitelná práce: jen za poslední rok vypěstoval 2500 rostlin druhé generace, celkem zdokumentoval více než 20 tisíc hybridů. A přestože svou analýzu dokončil až v roce 1863, téměř od samého začátku našel zajímavá zjištění.

Abyste skutečně ocenili Mendelův objev, podívejte se na jednu z jeho nejjednodušších otázek: proč byly hrachy fialové a bílokvěté kříženy výhradně s fialovými květy; a když byly výsledné rostliny s fialovými květy zkříženy, většina nových rostlin byla s fialovými květy a několik s bílými květy? Jinými slovy, kde přesně v té první generaci rostlin s fialovými květy byl „návod“ schovat bílé květy? Totéž se stalo se všemi ostatními vlastnostmi. Při křížení rostlin se žlutými a zelenými plody měli všichni "potomci" první generace žluté plody; ale když byly tyto rostliny zkříženy mezi sebou, většina zástupců druhé generace měla žlutý hrách a několik - zelený. Kde byl v první generaci „návod“, aby zelený hrášek zmizel?

Teprve poté, co Mendel pečlivě zdokumentoval a kategorizoval tisíce hybridů po mnoho generací, začal objevovat úžasné odpovědi. U rostlin druhé generace se znovu a znovu objevoval stejný kuriózní poměr: 3 ku 1. Na každé tři rostliny s fialovými květy připadla jedna s květy bílými. Na každé tři rostliny se žlutými plody připadla jedna se zelenými. Na každé tři vysoké rostliny připadal jeden trpaslík – a tak dále.

Pro Mendela to nebyla statistická chyba, ale důkaz důležitého principu, základního zákona. Pochopil, jak přesně takové dědičné mechanismy mohou vznikat, postupně přistoupil k matematickému a fyzikálnímu vysvětlení, proč se dědičné znaky přenášejí z rodičů na potomky právě tímto způsobem. Ve chvíli vhledu navrhl, že dědičnost musí zahrnovat přenos určitého „prvku“ (faktoru) z každého rodiče na dítě – čemu dnes říkáme geny.

A to byl jen začátek. Na základě své analýzy vlastností hrachu Mendel intuitivně objevil některé z nejdůležitějších zákonů dědičnosti. Tak například došel ke správnému závěru, že v případě jakékoli existující vlastnosti dědí potomek dva "prvky" (genové alely) - jeden od každého rodiče - a že tyto prvky mohou být dominantní nebo recesivní. Pokud tedy potomek ve vztahu ke každé existující vlastnosti zdědil dominantní „prvek“ od jednoho rodiče a recesivní od druhého, pak vykazoval dominantní rys, ale zároveň byl nositelem skrytý recesivní, které by mohly být předány další generaci. V případě odstínů květů, pokud by potomci zdědili dominantní „purpurový gen“ od jednoho rodiče a recesivní „bílý“ gen od druhého, měli by fialové květy. Zároveň zůstal nositelem recesivního genu pro bílé květy a mohl jej přenést na své potomky. Konečně se vysvětlilo, jak mohly vlastnosti „prosakovat“ celé generace.

Na základě těchto a dalších zjištění vyvinul Mendel své tři nejznámější zákony o tom, jak se „prvky“ dědičnosti předávají z rodiče na potomky.

Zákon uniformity první generace: při křížení dvou čistých linií (dominantní a recesivní v jednom znaku) bude celá první generace jednotná v dominantním znaku.

zákon o rozdělení: při vzájemném křížení potomků první generace se ve druhé generaci objeví jedinci s dominantním i recesivním znakem a v určitém poměru 3:1.

Mendel navrhl, aby vysvětlil tento zákon zákon čistoty gamet: dospělý jedinec má dva prvky zodpovědné za tvorbu znaku (dvě alely genu), z nichž jeden dominuje (projevuje se). Při dělení zárodečných buněk (gamet) do každé z nich vstupuje pouze jedna ze dvou alel. Když se samčí a samičí gamety spojí, alely genu se nemísí, ale jsou předány další generaci ve své čisté formě.

Zákon nezávislé dědičnosti vlastností: při křížení jedinců s různými vlastnostmi se geny odpovědné za ně dědí nezávisle na sobě.

Abychom skutečně ocenili Mendelovu genialitu, je důležité si připomenout, že v době jeho působení nikdo nevěděl o fyzickém základu dědičnosti. Neexistoval žádný koncept DNA, genů nebo chromozomů. S naprostým nedostatkem znalostí o tom, jaké by mohly být "prvky" dědičnosti, Mendel otevřel nový směr ve vědě, ačkoli definující pojmy - geny a genetika - byly vytvořeny o několik desetiletí později.

Věčné téma: důvěřivý ve svou správnost, ale podceňovaný v životě

V roce 1865, po devíti letech pěstování tisíců rostlin hrachu a analyzování jejich vlastností, Gregor Mendel představil své poznatky Brünnské společnosti přírodovědců a v následujícím roce vyšla jeho klasická práce Experiments on Plant Hybrids. Jde o jeden z největších zlomů v dějinách vědy a medicíny. Našla se odpověď na otázku, která trápí lidstvo po tisíce let.

A jaká byla reakce? Pomalá lhostejnost.

Ano, ano, dalších 35 let bylo Mendelovo dílo ignorováno, dezinterpretováno. Prostě na ni zapomněli. To neznamená, že se o to nepokusil: v určitém okamžiku poslal svou práci Carlu Naegelimu, vlivnému botanikovi z Mnichova. A Naegeli nejenže nedokázal ocenit práci Mendela, ale také poslal dopis s odpovědí, ve kterém vystavil práci vědce snad nejponižující kritice v dějinách vědy. Při přezkoumání studie založené na studii, která trvala téměř deset let a vyžadovala pěstování více než 20 000 rostlin, Naegeli napsal: „Mám dojem, že experimenty právě začínají…“

Problém byl podle moderních historiků v tom, že Mendelovi kolegové nedokázali pochopit význam jeho objevu. Kvůli jejich konzervativním názorům na vývoj a přesvědčení, že dědičné znaky nelze dělit ani analyzovat, byl Mendelův experiment přijat více než chladně. Mendel pokračoval ve své vědecké činnosti ještě několik let a poté ji zastavil kolem roku 1868 - krátce poté, co získal hodnost opata v klášteře Bryun. Až do své smrti (1884) netušil, že jednou bude nazýván zakladatelem genetiky.

Ať je to jakkoli, Mendel byl přesvědčen o důležitosti svého objevu. Podle jednoho opata pár měsíců před svou smrtí sebevědomě prohlásil: "Přijde čas, kdy bude doceněna důležitost zákonů, které jsem objevil." Také on podle některých zpráv řekl krátce před svou smrtí novicům kláštera: "Jsem přesvědčen, že celý svět ocení význam těchto studií."

O 35 let později, kdy svět konečně skutečně ocenil jeho práci, vědci objevili to, o čem Mendel nevěděl, ale co poskytuje jeho práci konečnou, slibnou perspektivu. Jeho zákony dědičnosti platí nejen pro rostliny, ale i pro zvířata a lidi.

A nyní, s příchodem éry vědecké genetiky, přirozeně vyvstala otázka: odkud se bere dědičnost?

Milník č. 2

Průzkum území: Hluboký ponor do tajemství buňky

Další důležitý milník se začal formovat v 70. letech 19. století, přibližně ve stejné době, kdy Mendel začal ztrácet naději v úspěch svých experimentů. Jeho základy však byly položeny o několik století dříve. V 60. letech 17. století se anglický fyzik Robert Hooke stal prvním člověkem, který se podíval jednoduchým mikroskopem na kus korkového dřeva a objevil to, co nazval drobné „buňky“. Ale až v roce 1800 je několik německých vědců dokázalo blíže studovat a nakonec zjistit, kde dědičnost pochází: v buňce a jejím jádru.

První velký průlom nastal v letech 1838–1839, kdy pokroky v mikroskopu umožnily německým vědcům Matthias Schleiden a Theodor Schwann definovat buňky jako strukturální a funkční jednotky všech živých bytostí. Poté v roce 1855, po vyvrácení mýtu, že buňky vznikají spontánně z ničeho nic, německý vědec Rudolf Virchow oznámil svůj slavný vzorec: Omnis cellula e cellula („Každá buňka z buňky“). Tímto prohlášením dal Virchow vědě další klíčové vodítko o tom, odkud přesně dědičnost pochází: pokud každá buňka pochází z jiné, pak informace potřebné k vytvoření každé nové buňky (informace o dědičnosti) musí být uloženy někde uvnitř buňky. Konečně v roce 1866 německý biolog Ernst Haeckel bez obalu prohlásil: přenos dědičných znaků je spojen s něčím... s něčím uvnitř buněčného jádra, jehož význam rozpoznal již v roce 1831 Robert Brown.

V 70. letech 19. století vědci nahlíželi hlouběji do jádra buňky a objevili záhadné jevy, které se staly pokaždé, když se buňka rozdělila. V roce 1879 tedy německý biolog Walter Flemming tyto jevy podrobně studoval a celý proces nazval mitóza (nepřímé dělení). Flemming ve své práci, publikované v roce 1882, poprvé přesně popsal kuriózní události, které nastaly bezprostředně před dělením buněk: v jádře byly nalezeny dlouhé vláknité struktury, které se pak „rozdělily na dvě části“. V roce 1888, kdy vědci začali mluvit o roli, kterou tyto nitě hrají v dědičnosti, navrhl německý anatom Heinrich Waldeyer, jeden z velkých autorů nových termínů v biologii, pro ně nové jméno, které vešlo do historie – chromozomy.

Milník č. 3

DNA: objev a zapomnění

Na konci 19. století se svět, vytrvale ignorující první velkou etapu ve vývoji genetiky, rozhodl opomíjet druhou – objev DNA. Ano přesně. DNA, která za svou existenci vděčí genům, chromozomům, dědičným znakům a nakonec i genetické revoluci v 21. století. A stejně jako v případě odmítavého postoje k Mendelovi a jeho zákonům dědičnosti, ani tento klam neměl krátkého trvání. Krátce po svém objevení v roce 1869 byla DNA na půl století prakticky zapomenuta.

Vše začalo tím, že švýcarský fyziolog Friedrich Miescher, sotva vystudoval lékařskou fakultu, učinil klíčové rozhodnutí o své budoucí kariéře. Kvůli špatnému sluchu (následky dětské infekce) bylo pro něj těžké pacientům rozumět a rozhodl se vzdát kariéry v klinické medicíně. Po nástupu do laboratoře na univerzitě v Tübingenu v Německu se Miescher rozhodl prozkoumat nedávný návrh Ernsta Haeckela, že tajemství dědičnosti lze odhalit prostřednictvím jádra buňky. Poté, co vybral nejlepší buňky pro studium jádra, začal omývat mrtvé bílé krvinky (které jsou hojně zastoupeny v hnisu) z chirurgických obvazů odebraných z vrakoviště nedaleké univerzitní nemocnice.

Po výběru nejméně ošklivých vzorků, se kterými se dalo pracovat, vystavil Misher bílé krvinky různým chemikáliím, dokud z buněčné hmoty neoddělil dříve neznámou sloučeninu. Tato látka, která není ani bílkovinou, ani tukem, ani sacharidem, měla kyselé vlastnosti a obsahovala velké množství fosforu, který se dříve nenacházel v žádné jiné organické sloučenině. Miescher neměl tušení, co to bylo, nazval látku nuklein. Odtud pochází moderní termín DNA (deoxyribonukleová kyselina).

Miescher publikoval své vědecké poznatky v roce 1871 a poté věnoval mnoho let studiu nukleinu odděleně od ostatních buněk a látek. Jeho skutečná povaha však zůstala záhadou. Přestože byl Miescher přesvědčen, že nuklein je životně důležitý pro fungování buňky, nakonec odmítl myšlenku, že by hrál nějakou roli v dědičnosti. Ostatní vědci jeho důvěru nesdíleli. Například švýcarský anatom Albert von Kölliker měl tu drzost prohlásit, že nuklein je s největší pravděpodobností materiálním základem dědičných mechanismů. Edmund Beecher Wilson, autor klasické učebnice Buňka a její role ve vývoji a dědičnosti, s ním v roce 1895 souhlasil a v jednom ze svých děl napsal:

… A tak docházíme k překvapivému závěru, že dědičnost může být pravděpodobně ovlivněna fyzickým přenosem určité chemické složky z rodiče na potomka.

A nyní, jen pár kroků před objevem, který může změnit svět, se zdá, že před ním vědci přimhouřili oči. Svět prostě nebyl připraven přijmout DNA jako biochemickou složku dědičnosti. Během několika let byl nuklein prakticky zapomenut. Proč vědci vzdali pokusy o studium DNA až do roku 1944? Roli hrálo několik faktorů, ale možná nejdůležitější bylo, že DNA se zdála neschopná splnit cíle vědy. Jak Wilson poznamenal v posledním vydání své učebnice v roce 1925 (což bylo v rozporu s jeho vlastními slovy obdivu v roce 1895), „univerzální“ složky nukleinu nebyly příliš inspirativní, zvláště ve srovnání s „nevyčerpatelnou“ rozmanitostí proteinů. Jak by mohla být DNA zodpovědná za veškerou rozmanitost života?

Tato otázka nebyla zodpovězena až do 40. let 20. století, ale Miescherův objev měl přinejmenším jeden silný dopad na vědu: vyvolal novou vlnu výzkumu, který vedl ke znovuobjevení dávno zapomenutého milníku. A ne jednou, ale hned třikrát.

Milník č. 4

Znovuzrození: Vzkříšení mnišského kněze a jeho doktrína dědičnosti

Je sice jaro a období obnovy, ale renesanci z počátku roku 1900, kdy po pětatřiceti letech zanedbávání znovu ožil Gregor Mendel a jeho zákony dědičnosti, se s novou silou vrátilo k životu. Buď to byla zoufalá odplata za dlouhou lhostejnost, nebo nevyhnutelný výsledek nového kola zájmu ve vědeckém světě, ale na začátku roku 1900 dokonce ne jeden, ale hned tři vědci najednou nezávisle na sobě objevili zákony dědičnosti - následně zjistili, že již před několika desetiletími objevili skromného kněze.

Nizozemský botanik Hugo De Vries byl první, kdo oznámil svůj objev, když jeho pokusy se šlechtěním rostlin ukázaly stejný poměr 3 ku 1 jako Mendel. Dalším byl Carl Correns, německý botanik, který provedl výzkum hrachu, který mu pomohl znovu objevit zákony dědičnosti. A posledním, kdo svou studii, rovněž založenou na pokusech na šlechtění hrachu, publikoval rakouský botanik Erich Czermak-Seiseneck. Poznamenal: „S největším překvapením jsem četl, že Mendel již takové experimenty provedl, a mnohem větší než já, zaznamenal stejné nesrovnalosti a již podal vysvětlení pro poměr 3 ku 1.“

A přestože nebyl žádný vážný spor o to, kdo by měl být prohlášen za autora znovuobjevení, Čermák později přiznal „malou potyčku mezi ním a Corrensem na setkání členů přírodovědecké společnosti v Meranu v roce 1903“. Ale, jak dodal Čermák, všichni tři „ si byli dobře vědomi toho, že [jejich] objev zákonů dědičnosti v roce 1900 byl nižší než rozsah Mendelových úspěchů v jeho době, protože v průběhu let byla provedena vědecká práce, která značně zjednodušila jejich výzkum."

Poté, co byly ve 20. století obnoveny Mendelovy zákony, začalo stále více vědců věnovat pozornost velmi záhadným „jednotkám“, které určovaly dědičnost. Zpočátku nikdo přesně nevěděl, kde jsou, ale v roce 1903 americký vědec Walter Sutton a německý vědec Theodor Boveri zjistili, že se nacházejí v chromozomech a ty jsou uvnitř buněk v párech. Nakonec v roce 1909 dánský biolog Wilhelm Johannsen navrhl pro tyto jednotky název – geny.

Milník č. 5

První genetická nemoc: líbající se sestřenice, černá moč a již známé proporce

Stopy černé moči na dětské pleně by znepokojily každého rodiče, ale z pohledu britského lékaře Archibalda Harroda byly důkazem zajímavého metabolického problému. A vůbec to není v Garrodově necitlivosti. Nemoc, se kterou se zabýval, se jmenovala alkaptonurie. Mezi její nejšokující projevy patří černá moč při styku se vzduchem, ale celkově není nebezpečná a celosvětově se vyskytuje nejvýše u jednoho z milionu lidí. Když Garrod koncem 90. let 19. století začal studovat alkaptonurii, uvědomil si, že nemoc není způsobena bakteriální infekcí, jak si dříve myslel, ale „vrozenou metabolickou poruchou“. Ale teprve když studoval údaje o dětech, které trpěly touto nemocí – jejichž rodiče byli téměř vždy bratranci – našel vodítko, které okamžitě změnilo náš současný pohled na svět. a deniya dědičnost, geny a nemoci.

Když Garrod v roce 1899 poprvé zveřejnil předběžné výsledky svého výzkumu, nevěděl o genech a dědičnosti o nic víc než kdokoli jiný. Proto mu uniklo jedno ze svých klíčových postřehů: při srovnání počtu dětí bez alkaptonurií s počtem dětí s alkaptonurií vyšel známý poměr 3 ku 1. Ano, byl to stejný poměr, jaký Mendel zjistil u hrachu druhé generace (například tři rostliny s fialovými květy – jedna s bílými), díky čemuž se objevil předpoklad o přenosu dědičných znaků a roli „dominantních“ a „recesivních“ prvků (genových alel). V Garrodově studii byla dominantní charakteristika „normální moč“ a recesivní „černá“ a stejný poměr byl zjištěn u dětí druhé generace: u tří dětí s normální močí bylo pozorováno, že jedno bylo černé. Garrod si tohoto podílu nevšiml, ale neunikl pozornosti britského vědce Williama Batesona, který Garroda kontaktoval, jakmile se doslechl o jeho výzkumu. Garrod brzy souhlasil s Batesonem, že Mendelovy zákony daly nový obrat, o kterém nepřemýšlel: nemoc, kterou studoval, byla zjevně dědičná.

V roce 1902 Garrod shrnul výsledky své práce dohromady: symptomy, metabolické poruchy a roli genů a dědičnosti. Navrhl, že alkaptonurie je způsobena dvěma dědičnými "prvky" (genovými alelami) - jedním od každého rodiče a že defektní alela je recesivní. V neposlední řadě nakreslil biochemický diagram, aby doložil domněnku, jak přesně defektní „gen“ způsobil nástup nemoci. Zdálo se, že nějakým způsobem produkoval vadný enzym, který, když nebyl schopen vykonávat svou normální metabolickou funkci, vedl k černé moči. Prostřednictvím této interpretace dosáhl Garrod dalšího významného výsledku. Navrhl, že přesně to, co geny dělají: produkují proteiny, jako jsou enzymy. A pokud je s genem něco v nepořádku, je vadný, je schopen produkovat a vadný protein, který může způsobit onemocnění.

Garrod pokračoval ve své práci popisem několika dalších metabolických abnormalit způsobených defektními geny a enzymy (nyní nazývanými Garrodova tetráda, které zahrnují kromě alkaptonurie i albinismus, cystinurii a pentosurii). Trvalo ale další půlstoletí, než mu jiní vědci konečně dali za pravdu a docenili význam jeho objevů. Dnes je Garrod uctíván jako první člověk v historii, který prokázal souvislost mezi geny a nemocí. Jeho práce dala vzniknout moderním konceptům genetického screeningu, recesivní dědičnosti a rizikům příbuzenských manželství.

A Bateson, pravděpodobně inspirovaný Harrodovým výzkumem, si v roce 1905 v dopise stěžoval, že toto nové odvětví vědy postrádá dobré jméno. "Takové jméno je nezbytné," napsal, "a pokud ho někdo chce vymyslet, pak to slovo "genetika" by se mohlo hodit."

Na počátku 20. století byla věda navzdory rostoucímu seznamu důležitých úspěchů v krizi sebeurčení a byla rozdělena na dva tábory. Mendel a jeho následovníci stanovili zákony dědičnosti, ale nedokázali vysvětlit, co jsou její biologické „prvky“ a jak fungují. A Fleming a další vědci objevili v buňce slibné biochemické parametry, ale nikdo nedokázal přijít na to, co mají společného s dědičností. V roce 1903 se tyto dva světy sblížily, když Walter Sutton a Theodore Boveri navrhli, že „jednotky“ dědičnosti jsou umístěny v chromozomech a samotné chromozomy se dědí v párech (jeden od matky a jeden od otce) a „mohou být fyzikálním základem Mendelova zákona dědičnosti“. Ale teprve v roce 1910 jiný americký vědec – především ke svému vlastnímu překvapení – spojil tyto dva světy jedinou teorií dědičnosti.

Milník č. 6

Jako korálky v náhrdelníku: spojení mezi geny a chromozomy

V roce 1905 byl Thomas Morgan, biolog z Kolumbijské univerzity, nejen skeptický k myšlence, že chromozomy hrají nějakou roli v dědičnosti, ale také sarkasticky reagoval na chování kolegů, kteří tuto teorii podporovali, a stěžoval si, že „chromozomy jsou nasycené chromozomální kyselinou. intelektuální atmosféru té doby. Za prvé, podle Morgana je myšlenka, že chromozomy obsahují dědičné znaky, příliš podobná myšlence „preformace“: kdysi populárnímu mýtu, že každé vejce již obsahuje „předtvar“ osoby. Ale v roce 1910 se pro Morgana všechno změnilo, když vstoupil do „muší místnosti“ (místnosti, kde on a jeho studenti vyšlechtili miliony ovocných mušek Drosophila, aby studovali jejich genetické vlastnosti) a učinil neuvěřitelný objev: jedna z mušek měla bílé oči. .

Byl to nápadný jev (většinou mají ovocné mušky červené oči). O to více byl ale Morgan překvapen, když zkřížil samce s bílýma očima a samici s červenýma očima. První pozorování nebyla příliš překvapivá: podle očekávání měly v první generaci všechny mouchy červené oči a ve druhé se objevil známý poměr 3 ku 1 (tři červenooké k jedné bělooké). Úplným překvapením pro Morgana, které obrátilo celý základ jeho chápání dědičnosti, byl ale zcela nový objev: všichni zástupci bělookého potomstva byli mužský.

Tento nový obrat – myšlenka, že určitý rys může zdědit pouze jedno pohlaví – měl zásadní význam v souvislosti s objevem učiněným o pár let dříve. V roce 1905 američtí biologové Nettie Maria Stevens, která jako první přinesla ovocné mušky do laboratoře Thomase Morgana, a Edmund Beecher Wilson zjistili, že lidské pohlaví je určováno dvěma chromozomy: X a Y. Ženy měly vždy dva chromozomy X a zástupci mužského pohlaví - jedno X a jedno Y. Když Morgan viděl, že všechny bělooké mouchy jsou samci, uvědomil si, že gen zodpovědný za bílou barvu očí musí být nějak spojen s mužským chromozomem. To ho přimělo ke koncepčnímu skoku, kterému léta odolával. Usoudil, že nejpravděpodobnější jsou geny část chromozomy.

Krátce nato, v roce 1913, jeden z Morganových studentů, Alfred Sturtevant, dosáhl bodu obratu, když si uvědomil, že geny mohou být ve skutečnosti uspořádány lineárně v chromozomu. Poté, jako výsledek bezesné noci, vytvořil Sturtevant první genetickou mapu světa, mapu chromozomu Drosophila X, umístěním pěti genů na lineární mapu a výpočtem vzdálenosti mezi nimi.

V roce 1915 Morgan a jeho studenti vydali přelomovou knihu pro vědu, Mechanismy mendelovské dědičnosti, která konečně oficiálně prohlásila existující spojení. Dva dříve oddělené světy (Mendelův zákon dědičnosti a chromozomy a geny uvnitř buněk) byly nyní jedním. Když Morgan za svůj objev obdržel v roce 1933 Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu, moderátor poznamenal, že teorie, že geny jsou uspořádány v chromozomu „jako korálky na náhrdelníku“, zpočátku vypadala jako „fantastické tvrzení“ a „se setkala s oprávněnou skepsí. "". Ale pozdější studie daly Morganovi za pravdu a jeho zjištění byla uznána jako „zásadní a rozhodující pro studium a pochopení dědičných chorob lidstva“.

Milník č. 7

Transformativní pravda: Znovuobjevená DNA a její kuriózní vlastnosti

Koncem dvacátých let bylo odhaleno mnoho tajemství souvisejících s dědičností. Přenos vlastností lze vysvětlit pomocí Mendelových zákonů, zákony souvisí s geny a geny s chromozomy. Zdálo by se, že výsledná teorie pokryla vše.

Nic takového. Dědičnost zůstala záhadou kvůli dvěma vážným problémům. Za prvé, většina vědců věřila, že geny jsou tvořeny proteiny, nikoli DNA. Za druhé, nikdo neměl tušení, jak geny, ať už byly jakékoli, určovaly dědičné vlastnosti. Odpovědi na všechny tyto záhady se začaly objevovat v roce 1928, kdy britský mikrobiolog Frederick Griffith pracoval na zcela jiném problému - vytvoření vakcíny proti zápalu plic. To se mu sice nepodařilo, ale úspěšně objevil další klíčovou stopu.

Griffith studoval Streptococcus pneumoniae, když objevil něco zajímavého. Jedna forma bakterií, virulentní kmen S, tvořila hladké kolonie, zatímco druhá, neškodný kmen R, tvořila nerovnoměrné. Bakterie kmene S způsobily onemocnění, protože měly polysacharidové pouzdro, které je chránilo před imunitním systémem. Bakterie kmene R se ukázaly jako neškodné: bez takové kapsle byly rozpoznány a zničeny imunitním systémem. Pak Griffith objevil něco ještě podivnějšího: pokud byl myším nejprve injikován neškodný kmen R a poté virulentní, ale teplem usmrcený kmen S, myši stejně zemřely. Po několika experimentech si Griffith uvědomil, že dříve neškodné bakterie R nějakým způsobem „nabyly“ schopnost virulentních bakterií typu S vytvořit ochrannou kapsli. Jinými slovy, i když byly virulentní bakterie S zabity, něco v nich přeměnilo neškodné R-pneumokoky na S.

Co to vlastně bylo a jak to souviselo s dědičností a genetikou? Griffith se o tom nikdy nedozvěděl. V roce 1941, pár let před odhalením tohoto tajemství, byl zabit německým granátem při bombardování Londýna.

Když byl v roce 1928 zveřejněn Griffithův článek popisující „přeměnu“ neškodných bakterií na virulentní formu, Oswald Avery, vědec z Rockefellerova institutu pro lékařský výzkum v New Yorku, zpočátku odmítal výsledkům uvěřit. A proč jim vlastně musel věřit? Avery studoval Griffithovy bakterie posledních 15 let, včetně ochranné vnější kapsle, a představa, že by se jeden typ mohl „přeměnit“ na jiný, ho zpochybnila. Ale když byly Griffithovy nálezy potvrzeny, Avery se stal jedním z jeho následovníků a v polovině 30. let spolu se svým kolegou Colinem MacLeodem ukázali, že tento efekt lze znovu vytvořit v Petriho misce. Nyní zbývalo zjistit, co přesně bylo příčinou proměny. V roce 1940, když se Avery a Macleod blížili k odpovědi, se k nim připojil třetí výzkumník, MacLean McCarthy. Identifikace látky však nebyl snadný úkol. V roce 1943, když byli jeho soudruzi mučeni snahou roztřídit hromadu bílkovin, tuků, uhlohydrátů, nukleinů a dalších látek v buňce, Avery si stěžoval svému bratrovi: „Zkuste najít aktivní prvek v této složité směsi! Ta práce je čirá bolest srdce a žal.“ Pravda, Avery zároveň přidal zajímavou větu: „Ale nakonec možná uspějeme.

A to se jim samozřejmě povedlo. V únoru 1944 publikovali Avery, Macleod a McCarthy článek, v němž uvedli, že identifikovali „transformační princip“ pomocí jednoduchého – ne tak jednoduchého – procesu eliminace. Po testování všeho, co se v této složité buněčné směsi dalo najít, zjistili, že pouze jedna látka přeměnila R-pneumokoky na S-formu. Byl to nuklein – stejná látka, kterou jako první identifikoval Friedrich Miescher a kterou nyní nazývali deoxyribonukleová kyselina neboli DNA. Dnes je tato klasická práce považována za první vědeckou práci, která poskytla důkaz, že jde o DNA – stejný molekula zodpovědná za dědičnost. "Koho by to napadlo?" Avery napsal svému bratrovi.