Так или иначе, каковы бы ни были причины, мусорная ДНК имеется, и в потрясающих количествах. Поскольку она не используется, она свободна меняться. Полезные гены, как мы видели, строго ограничены в их свободе изменяться. Большинство изменений (мутации) делает работу генов менее эффективной, животное умирает, и изменение не передается. Это является сутью дарвиновского естественного отбора. Но мутации в мусорной ДНК (главным образом изменения количества повторений в данном участке) не замечаются естественным отбором. Так, если мы оглянем популяцию, мы обнаружим большинство изменений, полезных для фингерпринтинга, в мусорных участках. Как мы сейчас увидим, тандемные повторы особенно полезны, потому что они разнятся в отношении числа повторов, простое свойство, которое легко измерить.
Если бы не это, судебный генетик должен был бы проверить точную последовательность оснований в нашем типовом участке. Это можно сделать, но секвенирование ДНК отнимает много времени. Тандемные повторы позволяют нам использовать хитроумные сокращенные методы, такие как обнаружил Алек Джеффрейс из Университета Лестера, по праву считающийся отцом фингерпринтинга ДНК (и теперь он — сэр Алек). У разных людей в конкретных местах — разное число тандемных повторов. У меня может быть 147 повторов данного фрагмента бессмыслицы, там где у Вас 84 повтора того же фрагмента бессмыслицы в соответствующем месте вашего генома. В другом участке, у меня может быть 24 повтора определенного фрагмента бессмыслицы при 38 повторах у Вас. У каждого из нас есть характерный фингерпринт, состоящий из ряда чисел. Каждое из этих чисел в нашем фингерпринте представляет собой количество повторов определенного фрагмента бессмыслицы в нашем геноме.
Мы получаем наши тандемные повторы от наших родителей. У каждого из нас 46 хромосом, 23 от отца, и 23 гомологичных, то есть соответствующих, хромосомы от матери. Эти хромосомы достаются нам со всеми их тандемными повторами. Ваш отец получил свои 46 хромосом от Ваших бабушки и дедушки по отцовской линии, но он не передал их вам в их полном объеме. Каждая из хромосом его матери была выровнена с ее отцовским коллегой, и они обменялись кусочками, прежде чем результирующая хромосома была помещена в сперматозоид, который помог создать вас. Каждый сперматозоид и каждая яйцеклетка уникальны, потому что они — различные комбинации материнских и отцовских хромосом. Процесс смешивания затрагивает как участки тандемных повторов, так и значащие участки хромосом. Поэтому наши характерные числа тандемных повторов унаследованы почти так же, как унаследованы цвет наших глаз и курчавость волос. С той разницей, что, тогда как цвет наших глаз обусловлен своего рода общим решением наших отцовских и материнских генов, числа наших тандемных повторов являются свойствами самих хромосом и могут поэтому быть измерены отдельно для отцовских и материнских хромосом. В любом отдельном участке тандемного повтора у каждого из нас есть два варианта текста: число повторов отцовской хромосомы и число повторов материнской. Время от времени хромосомы мутируют — испытывают случайное изменение — в числах своих тандемных повторов. Или определенный тандемный участок может быть раздроблен хромосомным кроссинговером. Вот почему есть вариации в числах тандемных повторов в популяции. Красота чисел тандемных повторов состоит в том, что их легко измерить. Вам не нужно утруждаться детальным секвенированием закодированных оснований ДНК. Вы делаете нечто похожее на их взвешивание. Или, если взять другую столь же уместную аналогию, Вы разворачиваете их как цветные полосы от призмы. Я объясню один способ сделать это.
Сначала Вам нужно сделать некоторые приготовления. Вы делаете так называемый ДНК-зонд, который представляет собой короткую последовательность ДНК, точно соответствующую рассматриваемой последовательности бессмыслицы — длиной приблизительно до 20 нуклеотидных оснований. Это несложно сделать в настоящее время. Есть несколько методов. Вы можете даже купить готовую машинку, которая сооздает любые короткие последовательности ДНК, так же как Вы можете купить клавиатуру, чтобы выбивать любую желаемую цепочку букв на бумажной ленте. Снабжая синтезирующую машинку радиоактивным сырьем, вы делаете радиоактивными сами зонды, и таким образом их «маркируете». Это позволяет позже легко обнаружить зонды снова, поскольку естественная ДНК не радиоактивна, поэтому их легко отличить друг от друга.
Радиоактивные зонды — это тот инструмент, который Вы должны иметь наготове, прежде чем начнете использовать фингерпринтинг Джеффри. Другим необходимым инструментом является «рестрикционный фермент». Рестрикционные ферменты — это химические инструменты, которые специализируются на разрезании ДНК, но разрезании только в определенных местах. Например, один рестрикционный фермент может обследовать протяженность хромосомы, пока не найдет последовательность GAATTC (G, C, T и A — четыре буквы алфавита ДНК; все гены у всех видов на Земле отличаются только тем, что составлены из различных последовательностей из этих четырех букв). Другой рестрикционный фермент разрезает ДНК везде, где находит последовательность GCGGCCGC. В комплекте инструментов молекулярного биолога имеется множество различных рестрикционных ферментов. Они образуются бактериями, использующими их в целях собственной защиты. У каждого рестрикционного фермента есть своя собственная уникальная искомая цепочка, которая наводит ее на цель и разрезает.
Теперь фокус в том, чтобы выбрать рестрикционный фермент, чья собственная искомая цепочка полностью отсутствует в интересующем нас тандемном повторе. Поэтому ДНК по всей длине нарезается на короткие отрезки, ограниченные характерной искомой цепочкой рестрикционного фермента. Конечно, не все отрезки будут содержать тандемный повтор, который мы ищем. Всевозможные другие отрезки ДНК могут быть окружены искомой цепочкой, предпочитаемой ножницами рестрикционного фермента. Но некоторые из них будут состоять из тандемных повторов, и длина каждого разрезанного ножницами отрезка будет во многом определяться числом тандемных повторов в нем. Если у меня будет 147 повторов конкретного куска ДНК-бессмыслицы, там где у Вас только 83, то мои нарезанные фрагменты будут соответственно более длинными, чем Ваши.
Мы можем измерить эти характерные длины, используя технику, которая существует в молекулярной биологии уже долгое время. Это обычная процедура, которая довольно похожа на рассеивание призмой, как сделал Ньютон с белым светом. Стандартная «призма» ДНК представляет собой колонку гель-электрофореза, то есть длинную трубку, заполненную желе, через которое пропускают электрический ток.
Раствор, содержащий вырезанные отрезки ДНК, смешанные все вместе, заливают в один конец трубки. Все фрагменты ДНК электрически притягиваются к отрицательному концу колонки, находящейся в другом конце трубки, и они равномерно движутся через желе. Но не все движутся с одной и той же скоростью. Подобно тому как свет с низкой частотой колебаний, распространяется сквозь стекло, маленькие фрагменты ДНК перемещаются быстрее, чем большие. В итоге, если Вы выключаете ток через соответствующий промежуток времени, фрагменты раскладываются по колонке, так же как раскладываются цвета Ньютона, потому что свет синего конца спектра с большей легкостью замедляется стеклом, чем свет красного конца.
Но мы еще не можем видеть фрагменты. Колонка желе выглядит одинаковой по всей высоте. Нет ничего, что бы указывало на то, что фрагменты ДНК различного размера скрываются в дискретных полосах на ее протяжении, и ничего, что бы указывало, какая полоса содержит какой ряд тандемных повторов. Как мы делаем их видимыми? Здесь в дело вступают радиоактивные зонды.
Чтобы сделать их видимыми, Вы можете использовать другой хитроумный метод, саузерн-блоттинг, названный в честь его изобретателя, Эдварда Саузерна. (Может несколько сбивать то, что есть другие методы, названные нозерн-блоттинг и вестерн-блоттинг, хотя нет никакого м-ра Нозерна или м-ра Вестерна.) Колонка желе вынимается из трубки и укладывается на промокательной бумаге. Жидкость в желе, содержащая фрагменты ДНК, просачивается из желе на промокательную бумагу. В промокательную бумагу предварительно вплетено множество радиоактивных зондов для определенных интересующих нас тандемных повторов. Исследуемые молекулы выстраиваются в линию на промокательной бумаге, располагаясь точно парами, по обычным правилам ДНК, со своими напарниками в тандемных повторах. Излишек исследуемых молекул смывается. Теперь единственные исследуемые радиоактивные молекулы, оставшиеся в промокательной бумаге — это те, которые связались со своими напарниками выхваченными из желе. Промокательная бумага затем помещается на кусок рентгеновой пленки, на которой потом радиоактивность оставляет след. Поэтому то, что Вы видите, когда проявите пленку — это ряд темных полос, еще один штрихкод. Окончательный узор штрихкода, который мы читаем на саузерн-блоттинге, является «отпечатками пальцев» личности, точно так же, как фраунгоферовы линии являются «отпечатками пальцев» для звезды, или линии форманты — «отпечатками пальцев» для гласного звука. Действительно, штрихкод, полученный из крови, выглядит очень похоже на фраунгоферовы линии или линии форманты.