Двойная спираль

Когда в 1940‑х годах XIX века Матиас Шлейден изучал процессы клеточного деления (об этом упоминалось в предыдущей главе), он описывал рождение дочерней клетки как своеобразное почкование. Разумеется, он ошибался.

Через 30 лет после Шлейдена немецкий цитолог Вальтер Флеминг (1843–1905) отметил любопытный факт: при окрашивании клетки внутри ядра обнаруживается яркое пятно, окрашенное наиболее интенсивно. Флеминг назвал эту субстанцию хроматином (от греч. chroma – «цвет»). В ходе клеточного деления структура хроматина менялась – он распадался на множество окрашенных телец, хорошо видимых под микроскопом.

Вальтер Флеминг

Уолтер Саттон

А в самом начале прошлого века американский биолог Уолтер Саттон (1876–1916) установил, что поведение хромосом при делении клетки замечательно согласуется с распределением наследственных признаков, описанных основоположником генетики Грегором Менделем. И в самом деле: каждый вид характеризуется строго определенным количеством хромосом, которое сохраняется у потомков, а при половом размножении в дочерние клетки всегда попадает одна хромосома от матери и одна от отца. В конце XIX столетия было установлено, что хромосомы построены из белков и нуклеиновой кислоты (от лат. nucleus – «ядро»). Нуклеиновые кислоты были открыты швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером (1844–1895) в 1869 году, задолго до выяснения их роли в передаче наследственной информации. В то время (и вплоть до 1940‑х годов) «молекулой жизни» считались белки, а нуклеиновым кислотам отводилась сугубо подсобная роль, что совсем неудивительно: белки были прекрасно изучены, а о нуклеиновых кислотах никто ничего толком не знал. Правда, выдающийся русский генетик Николай Константинович Кольцов (1872–1940) еще в 1927 году высказал предположение, что наследственные признаки передаются с помощью «гигантской наследственной молекулы, построенной, возможно, из двух зеркальных цепей», чем почти на 30 лет предвосхитил открытие двойной спирали ДНК.

Фридрих Мишер

Н. К. Кольцов

Тем не менее, большинство ученых продолжало отдавать пальму первенства белкам. Но вскоре им пришлось пересмотреть свои взгляды. В 1944 году американский бактериолог Освальд Эвери убедительно продемонстрировал, что за наследственные свойства любого организма отвечает дезоксирибонуклеиновая кислота, а в 1953 году британские ученые Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс построили наглядную модель упаковки этой гигантской молекулы.

Освальд Эвери

Сегодня мы знаем, что все без исключения внутриклеточные процессы – от синтеза белков до размножения клеток – регулируются нуклеиновыми кислотами (они бывают двух типов – рибонуклеиновая – РНК и дезоксирибонуклеиновая – ДНК), а молекула ДНК содержит всю полноту генетической информации о каждом индивидуальном организме, будь то бактерия, человек или вирус.

Как же устроена эта молекула жизни?

Молекула ДНК представляет собой спиральную двухцепочечную структуру, закрученную вокруг своей оси. Цепочки (или нити) собраны из остатков сахаров, обломков фосфорной кислоты и азотистых оснований – так называемых нуклеотидов. Осколки фосфорной кислоты и сахаров образуют своего рода каркас молекулы, выступают в роли «сахарофосфатного» остова, напоминающего перила винтовой лестницы, а нуклеотиды располагаются внутри перил наподобие ступенек. Обе нити молекулы ДНК удерживаются друг около друга за счет водородных связей между азотистыми основаниями противолежащих нитей. Азотистые основания бывают пяти видов – аденин (A), гуанин (G), тимин (T), цитозин (C) и урацил (U), причем аденин всегда взаимодействует только с тимином, а цитозин – с гуанином. Урацила в молекуле ДНК нет, он входит в состав РНК вместо тимина.

Молекула ДНК

Другое отличие РНК от своей двоюродной сестры заключается в том, что центральным звеном сахаро‑фосфатного остова у нее является сахар рибоза (отсюда и название – рибонуклеиновая), тогда как в молекуле ДНК рибоза теряет один атом кислорода и превращается в дезоксирибозу.

Наконец, молекула РНК у всех клеточных организмов состоит из одной‑единственной нити и выполняет в клетке вспомогательные функции, а основным носителем генетической информации является ДНК. И только у некоторых вирусов она вполне самостоятельна и существует в виде двух цепочек.

Уникальные последовательности нуклеотидов, объединенные в тройки – триплеты и насчитывающие десятки, сотни, а то и многие тысячи звеньев, представляют собой кодирующие участки молекулы ДНК – гены. Таким образом, морфологически и структурно ген – это фрагмент молекулы ДНК. Когда клетка собирается разделиться, она предварительно удваивает свой генетический материал. При этом молекула ДНК расплетается, и на каждой из нитей, как на матрице, происходит сборка дочерней нити, в точности повторяющей последовательность нуклеотидов родительской, ибо тимин всегда соединяется только с аденином, а цитозин – с гуанином. В результате появляются две идентичные дочерние ДНК, которые при делении (митозе) расходятся по разным клеткам.

Кроме передачи признаков потомкам, ДНК занимается синтезом белка. В молекуле ДНК хранится наследственная информация о структуре всех без исключения белков, необходимых для нормальной жизни клетки. В клетках высших организмов – эукариот – ДНК располагается в ядре, а система рибосом, внутриклеточных органелл, на которых ведется сборка белка, находится в цитоплазме.

Каким же образом информация с ДНК попадает на рибосомы?

Сборка белка – многоступенчатый и трудоемкий процесс, и для успешного его осуществления ДНК нужен посредник, в роли которого выступает другое нуклеопротеидное соединение – уже знакомая нам рибонуклеиновая кислота (РНК), которая в клетках высших организмов всегда играет сугубо подсобную роль. В силу своей «однонитчатости» (двухцепочечная РНК, как мы помним, встречается только у некоторых вирусов), она не закручивается в спираль, а образует причудливые структуры в виде шпилек, петель, крестов, клубков и других геометрических фигур.

Есть три типа РНК – информационная (ее еще называют матричной), рибосомальная и транспортная.

Синтез белка

Первым делом с молекулы ДНК снимается копия – матричная (информационная) РНК, причем каждому азотистому основанию ДНК соответствует комплементарное (буквально – дополнительное, а по сути – идентичное) азотистое основание РНК. Однако в отличие от репликации ДНК при делении клетки, когда копированию подвергается вся молекула целиком, при белковом синтезе копируются только лишь строго определенные участки материнской молекулы. Такое выборочное копирование приводит к тому, что матричная РНК‑посредник всегда получается ощутимо короче своей родительницы. Затем она отходит от ядра в цитоплазму и приближается к рибосомам – своеобразным станкам по производству белка.

Информационная РНК обычно формирует так называемый полисомный комплекс – своего рода матрицу, на которой, как в типографии с набранного шрифта, начинается печать свежих белковых молекул. А работу по доставке готовых строительных блоков (то есть аминокислот, из которых построены белки) выполняют транспортные РНК.

Итак, сначала инструкция по синтезу белка переписывается на матричную РНК, а затем воплощается в материале на полирибосомном комплексе. Транспортные РНК, представляющие собой сравнительно небольшие молекулы, подтаскивают к растущей белковой цепочке все новые и новые аминокислоты (любой белок строится из аминокислот) и нанизывают их в точном соответствии с уникальной последовательностью нуклеотидов (азотистых оснований) матричной РНК.

Различная последовательность нуклеотидов приводит к синтезу разных белков. Одна молекула белка собирается на рибосоме за 20–30 секунд, и чем больше рибосом включается в состав полисомы, тем больше молекул сходит с конвейера в единицу времени.

Когда потребность в белковых молекулах определенного типа полностью удовлетворена, в дело вступает особый ген‑регулятор. Он дает команду, и фрагмент ДНК, отвечающий за синтез этого белка, прекращает свою деятельность до тех пор, пока клетка снова не ощутит в нем потребность. Этот классический механизм обратной связи отшлифован в длинном ряду поколений до немыслимого совершенства.

Остается добавить, что у всех современных организмов – от вирусов до высших млекопитающих – система «ДНК – РНК – белок» функционирует с помощью большого количества ферментов‑катализаторов, без которых многоступенчатый процесс белкового синтеза немедленно скисает. Ни одна нуклеиновая кислота не умеет копировать себя самостоятельно.

А теперь поговорим о генах. Учебники генетики 20–30‑летней давности утверждали, что у человека должно быть около миллиона генов. Цифра явно взята с потолка, потому что к тому времени были расшифрованы генотипы только самых примитивных одноклеточных живых существ. Поскольку у бактерий количество генов колеблется от нескольких сотен до двух‑трех тысяч, молекулярные биологи рассудили, что у человека их будет по крайней мере на два порядка больше.

По прошествии нескольких лет специалисты пересмотрели свои позиции и остановились на том, что в геноме человека примерно 140 тысяч значащих генетических последовательностей – то есть генов, кодирующих какие‑либо белки.

Но и эта цифра оказалась чересчур оптимистичной. Когда в начале XXI века человеческий геном был полностью расшифрован и описан, выяснилось, что генов у нас с вами всего‑навсего 20–25 тысяч, то есть практически столько же, сколько у белых мышей. Тогда же пришлось отказаться от классической догмы молекулярной биологии: «один ген – один фермент». Ведь оказалось, что бо ´

льшая часть ДНК простаивает без дела и неизвестно чем занимается. Но в этом случае возникает закономерный вопрос: почему экономная природа не избавилась от ненужного хлама и продолжает его бережно хранить? Значит, он для чего‑то все‑таки нужен?..

О том, что гены бывают структурные и функциональные, ученые знали еще давно. Со структурными генами все более или менее ясно – они определяют последовательность аминокислот в полипептидной цепочке, то есть занимаются своим прямым делом – синтезом белков и ферментов. Функциональные гены не вмешиваются в рутинную процедуру белкового синтеза, но они контролируют деятельность других генов, оперативно включая и выключая те или иные внутриклеточные процессы. (Вспомним, например, ген‑оператор, который в нужный момент приостанавливает синтез белкового продукта.)

И функциональные, и структурные гены относятся к кодирующей части молекулы ДНК, но исследования последних лет показали, что от 98 до 99 % генома (то есть почти вся молекула ДНК) приходится на так называемый джанк (от англ. junk – «хлам, отбросы»), то есть на бесполезный балласт – внегенные участки ДНК, никак не связанные ни с продукцией белков или ферментов, ни с регуляторной деятельностью функциональных наследственных структур.

Как известно, геном человека практически идентичен геному высших приматов (совпадение около 98 %).

Но это касается только кодирующих последовательностей (функциональных и структурных генов). А вот удельный вес «мусорной» ДНК у человека не идет ни в какое сравнение с аналогичным показателем других видов. Почему так – в точности никто не знает, но всякий экстраординарный факт, даже не имеющий внятного объяснения, заслуживает пристального внимания.

Быть может, всему виной зигзагообразная эволюция нашего вида, оставившая нам в наследство генетический мусор? А может быть, избыточный джанк – вовсе не мусор, а ценное эволюционное приобретение, которое позволило виду Homo sapiens оставить позади сообразительных обезьян, так и не овладевших речью. Как говорится, поживем – увидим.

Во всяком случае, уже сегодня ясно, что внегенные фрагменты ДНК далеко не бесполезны. Во‑первых, они принимают самое активное участие в образовании молекул РНК, которые формируют несущий каркас рибосом – внутриклеточных «фабрик», отвечающих за синтез белка. Во‑вторых, с их подачи рождаются на свет очень маленькие молекулы РНК (так называемые микро‑РНК), которые постоянно вмешиваются в работу полноценных генов. Наконец, в джанке прячутся транспозоны – своего рода диверсанты, способные к примитивной белокпроизводящей деятельности. Предполагают, что это осколки древних вирусов, которые встроились в человеческую ДНК еще в незапамятные времена.

Автор ряда научно‑популярных книг Рафаил Нудельман утверждает:

Каждый такой транспозон способен произвести белок, который «вырезает» его из данного места ДНК. Оказавшись благодаря этому свободным и подвижным, этот бывший кусок ДНК может заново встроиться в нее в любом другом месте, в том числе и внутри гена, что может существенно исказить работу последнего.

Вполне вероятно, что основательная «замусоренность» ДНК высших организмов как раз и является главной причиной многоэтапной передачи наследственной информации в клетках эукариот. В прокариотах матричная РНК образуется на молекулах ДНК без всяких сложностей и немедленно приступает к синтезу белка на рибосомах. А вот в ядерных клетках все совершенно иначе. Сначала они синтезируют неполноценную предшественницу матричной РНК, а потом подвергают ее решительному усекновению с помощью ферментативного аппарата. Ферменты режут молекулу РНК на короткие цепи, бо ´

льшая часть которых распадается, после чего «огрызок», избавленный от ненужных пустот, выходит из ядра в цитоплазму и берется за дело. Этот процесс называется «созреванием РНК».

При внимательном изучении мусорная свалка внегенной ДНК обернулась настоящим золотым дном. Чуть больше года назад в джанке нашли удивительные микроскопические фрагменты – снипсы (от англ. SNP, single‑nucleotide polymorphism – «однонуклеотидный полиморфизм»). Чтобы разобраться в этом, нужно сначала вспомнить, что молекула ДНК (и ген как ее часть) построена из азотистых оснований четырех типов – аденина (A), тимина (T), цитозина (C) и гуанина (G).

Дальше предоставим слово Рафаилу Нудельману:

Представим себе кусочек цепочки с таким, например, чередованием нуклеотидов: AAGGTTA. Допустим, что по каким‑то причинам эта же цепочка у другого человека приняла вид ATGGTTA, где на втором месте взамен нуклеотида A встал нуклеотид T. Вот такая одиночная (точечная) замена и называется «снипсом». В данном конкретном случае говорят, что у этого отрезка ДНК есть две «аллели» (то есть две разновидности): A и T. Практически все выявленные снипсы имеют только две аллели (это значит, что почти у всех людей на данном отрезке A может быть заменено только на T, но не на G или C). Но таких «точек замены» может быть много, поэтому, двигаясь вдоль молекул ДНК каждого человека, мы обнаружим некую специфичность, свойственную ему последовательность таких замен. В сумме они образуют его «снипсовый профиль».

Поскольку в человеческом геноме содержится как минимум около трех миллиардов нуклеотидов, а снипсовые замены составляют примерно один процент, не составит большого труда отыскать по крайней мере около 30 миллионов точечных локусов, где имеется некоторый вполне ощутимый разнобой. Другими словами, индивидуальный снипсовый профиль – вещь вполне реальная, поскольку число возможных сочетаний однонуклеотидных замен астрономически велико. Это напоминает дактилоскопию, но только на уровне тонких генетических расхождений, поскольку совершенно невозможно себе представить двух разных людей с абсолютно идентичным снипсовым профилем.

Если бы все дело ограничивалось впечатляющими, но бесполезными цифрами, снипсам не уделили бы должного внимания. Однако совсем недавно выяснилось, что эти неуловимые различия ассоциированы с генетической предрасположенностью людей к тем или иным болезням. Речь, разумеется, не о том, что снипсы могут выступать в роли неких болезнетворных генов. Они всего лишь маркеры, своего рода опознавательные метки некоторых патологических состояний, помогающие специалистам выявить болезнь, вызываемую совокупным действием нескольких генов.

На подозрении оказались сахарный диабет обоих типов[8], некоторые разновидности злокачественных новообразований, глаукома, различные аутоиммунные болезни, рассеянный склероз и т. д. Поскольку во всех этих случаях удалось выявить статистически значимую связь «снипсового профиля» человека с его предрасположенностью к той или иной болезни, на повестку дня встал вопрос о тестировании граждан на предмет вероятности подцепить какую‑нибудь хворь.

Иными словами, речь идет о своего рода генной диагностике, что позволит в перспективе подбирать лечение индивидуально. Например, абсолютной реальностью станет прицельная фармакотерапия, когда лекарственные препараты будут назначать в зависимости от чувствительности к ним больного. Но ведь можно поступить куда более радикально: научиться ремонтировать дефектные гены или, по крайней мере, вычеркивать из генома те из них, которые отвечают за тяжелые наследственные недуги. Однако сначала нужно как следует разобраться с взаимовлиянием генотипа и среды обитания, вычислить удельный вес наследственно обусловленных качеств.

Классическая формула «ДНК – РНК – белок» сегодня выглядит довольно наивной. Реальная картина оказалась гораздо сложнее. Помните микро‑РНК, которые вмешиваются в работу генов? Сначала их обнаружили у растений и некоторых примитивных животных вроде круглого червя C. elegans[9]– крохи около миллиметра длиной. Микро‑РНК (они и в самом деле очень невелики и состоят всего из 21–25 оснований) связываются с путешествующей в цитоплазме матричной РНК и блокируют ее работу. На матричной РНК, как мы помним, записана инструкция по производству белка, но если к ней прицепилась микро‑РНК, белковый синтез тормозится. Налицо прямое воздействие на генетический аппарат клетки (ибо гены в первую очередь заняты регуляцией синтеза белка), о котором совсем недавно цитологии даже не подозревали!

Чуть более 10 лет назад микро‑РНК обнаружили и у человека. На сегодняшний день в человеческом геноме найдено около 700 микро‑РНК, и по оценкам ученых, скоро это число дойдет до 1000. Между тем у нас всего лишь около 20 тысяч генов, кодирующих белки. Если же допустить, что каждая микро‑РНК может влиять на работу нескольких генов (установлено, что они могут связываться сразу с несколькими типами матричной РНК), то под контроль этих крошечных молекул попадает треть человеческого генома. Одним словом, перед нами система регуляции невообразимой сложности, поскольку микро‑РНК влияют не только на матричную РНК, но и друг на друга.

Уже нащупываются терапевтические подходы, использующие микро‑РНК. Например, блокируя miR122, можно регулировать синтез холестерина и лечить гепатит. Опыты на животных показали: уровень холестерина в крови снижается на 40 %. Онкологи тоже заинтересовались малыми РНК, поскольку выяснилось, что при некоторых лейкозах они синтезируются в повышенных количествах. Если же их заблокировать, то можно затормозить опухолевый рост. А при других формах рака наблюдается падение уровня микро‑РНК, причем именно таких, которые подавляют активность онкогенов. Кроме того, введение некоторых микро‑РНК повышает чувствительность опухолевой ткани к радиации и химиотерапевтическим препаратам. А совсем недавно было показано, что малые РНК определенного типа способны блокировать работу генов вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). Вполне вероятно, что лет через восемь‑десять появятся первые лекарственные препараты на основе микроРНК для лечения СПИДа и рака.