Константин Викторович Северинов Тайный язык жизни. Диалог с ученым о генах, геномах и наследственности

Мы почти всегда мгновенно отличаем живое от неживого – это делают даже маленькие дети, но дать всеобъемлющее определение живому непросто. Универсальной элементарной единицей жизни на Земле (а другой жизни мы не знаем) является клетка. Многие видели клетки в световой микроскоп на школьных занятиях, когда рассматривали окрашенную чешую лука. Клетка отделена от неживого (или от других клеток) полупроницаемой мембраной. Через эту мембрану в клетку из окружающей среды попадают питательные вещества. Внутри клетки они в результате разнообразных химических реакций превращаются в энергию и строительные блоки, необходимые для поддержания клетки в живом состоянии и для ее роста. Наружу из клетки выходят продукты ее жизнедеятельности.

Рис. 1. Образование двух дочерних клеток из материнской в результате деления

Клетки размножаются бинарным делением, в результате которого из одной материнской клетки образуются две дочерние, а сама материнская клетка исчезает (рис. 1). Дочерние клетки либо умирают, либо сами становятся материнскими клетками. Немецкий биолог Рудольф Вирхов провел значительную часть своей профессиональной жизни, наблюдая за клетками в микроскоп. Он ни разу не видел появления клеток из ничего – они всегда возникали в результате деления других клеток, что позволило ему сформулировать фундаментальный принцип: «Omnis cellula e cellula» – всякая клетка произошла из клетки.

«Omnis cellula у cellula» – всякая клетка произошла из клетки

Если бы можно было повернуть время вспять и начать двигаться от ныне живущих клеток к их матерям, а потом к матерям их матерей и так далее, то мы в конце концов пришли бы к одной-единственной клетке. Ученые называют ее LUCA (Last Universal Cellular Ancestor) – последний общий клеточный предок. Существовал он около четырех миллиардов лет назад и был, с нашей точки зрения, не особенно примечательной бактерией, жившей при температуре около 70 ºС. В ходе сотен миллионов лет эволюции потомки LUCA образовали три крупные группы, в которые попадают все живущие ныне организмы: бактерии, археи и эукариоты (рис. 2).

Рис. 2. LUCA – общий предок всего живого на Земле и разнообразие его потомков

Таким образом, все существа – жившие в прошлом, живущие сейчас и те, которые будут жить на Земле в будущем, – происходят из одного корня, и все мы – микробы, растения, животные, включая людей, – родственники друг другу. Из какой клетки произошел LUCA и жившие вместе с ним клетки, потомки которых не дошли до нас, мы не знаем.

Бактерий и архей относят к «прокариотам», это одноклеточные, относительно просто устроенные существа. Клетки эукариот возникли позже прокариот, они гораздо больше прокариотических клеток и гораздо сложнее устроены. В частности, в клетках эукариот присутствуют различные органеллы, например ядра и митохондрии (само слово «эукариот» означает «имеющий настоящее ядро») (рис. 3). По-видимому, первые эукариотические клетки возникли в результате слияния различных прокариотических клеток. Так, митохондрии, энергетические станции эукариотических клеток, являются далекими потомками бактерий, давным-давно захваченных предками современных эукариот. Митохондрии потеряли способность к самостоятельному существованию, но способны делиться, чтобы попадать в дочерние эукариотические клетки. Эукариотические организмы могут быть как одноклеточными (например, инфузория туфелька), так и многоклеточными, как человек.

Рис. 3. Сравнение прокариотической и эукариотической клеток

Каждый человек – результат серии делений одной оплодотворенной яйцеклетки, образованной во время зачатия. Как и положено, эта клетка делится, образуя две дочерние клетки. Они, в свою очередь, делятся, и клеток становится четыре, потом восемь, шестнадцать, тридцать две… В теле взрослого человека находятся, по оценкам ученых, десятки триллионов клеток, и все они являются потомками одной-единственной яйцеклетки. То есть каждый из нас – колония клеток, образованная в результате серии делений оплодотворенной яйцеклетки.

Рис. 4. От яйцеклетки диаметром чуть больше одной десятой миллиметра до взрослого человека несколько сотен делений

Количество делений, которое отделяет каждого из нас от исходной яйцеклетки, не очень большое (рис. 4). Помните легенду о шахматисте, который играл с правителем древнего государства и предложил ему в случае выигрыша дать сущий пустяк: на первую клетку доски положить одно зерно, на вторую – два, на третью – четыре и так далее? Оказалось, что количество зерна, которое правителю пришлось бы отдать за проигранную партию, превышало возможности государства. Ситуация с человеческим телом похожая. В принципе, для того чтобы получить более 10 триллионов клеток, достаточно 45 циклов деления исходной яйцеклетки и всех ее потомков. В реальности ситуация сложнее, потому что разные клетки нашего тела делятся с разной скоростью, и многие клетки умирают, не оставляя потомков. Поэтому некоторые клетки тела взрослого человека, например клетки крови, отстоят от оплодотворенной яйцеклетки на гораздо большое количество делений, чем другие: они постоянно умирают, и их нужно восполнять в течение всей жизни за счет деления стволовых кроветворных клеток, находящихся в костном мозге.

Почему клетки разные

Дочерние клетки, как правило, похожи или даже идентичны материнской клетке. Нас не удивляет, что при делении клетки чумной палочки Yersinia pestis возникают клетки именно чумной палочки, а не, например, кишечной палочки Escherichia coli. Мы также ожидаем, что при делении клетки муравьеда образуются клетки муравьеда, а наше собственное тело состоит именно из человеческих клеток. Тем самым мы интуитивно признаем, что дочерние клетки наследуют свойства материнских клеток.

Дочерние клетки наследуют свойства материнских клеток

Когда мы говорим, что дочерние клетки похожи на родительские, мы немножко кривим душой. В случае одноклеточных организмов, таких как бактерии, действительно с очень большой точностью можно сказать, что потомки (и предки) конкретной клетки неотличимы друг от друга. Но в случае многоклеточных организмов ситуация, очевидно, не такая: несмотря на то что все клетки нашего тела являются потомками одной-единственной оплодотворенной яйцеклетки, клетки разных тканей разительно отличаются друг от друга. Достаточно посмотреть в микроскоп, чтобы убедиться, что клетка кожи, которая называется фибробластом, клетка печени, которая называется гепатоцитом, или клетка нервной ткани, которая называется нейроном, выглядят совсем по-разному (рис. 5) и выполняют в нашем теле разные функции: кожа должна делать одно, печень – другое, а мозг – третье.

Рис. 5. Разнообразные клетки человеческого организма происходят из одной оплодотворенной яйцеклетки

Тем не менее, несмотря на то что клетки нашего тела очень разные с точки зрения внешнего вида и функций, которые они выполняют, информация, которая в них содержится, та же, что и в исходной яйцеклетке. Доказывается это опытами по клонированию многоклеточных организмов. Из клетки тела взрослого организма можно получить новый организм, который будет копией – клоном – того организма, из тела которого была взята исходная клетка. Первым успешным результатом такого опыта стало рождение овечки Долли (рис. 6). Затем подобное научились делать и с другими животными: кошками, собаками, лошадьми и т. д. Раз клонирование возможно, значит, информация, которая содержится в клетке взрослого организма, достаточна для того, чтобы воссоздать целый организм, состоящий из разнообразных клеток, которые образуют разные органы и ткани. Чтобы объяснить это удивительное наблюдение, нам потребуется перейти с уровня клеток на уровень молекул и понять, что такое генетическая информация и как она передается от материнских клеток дочерним.

Рис. 6. Принцип клонирования млекопитающего животного на примере первого успешного эксперимента – овечки Долли. Долли является клоном овцы-донора тканевых клеток

ДНК – носитель генетической информации

Про генетическую информацию удобно думать в терминах текста. Наша цивилизация основана на текстах: мы записываем их на разнообразных носителях и передаем друг другу. Мы способны использовать информацию, воспринимать ее в качестве инструкций и менять свое поведение согласно полученным инструкциям. Информация может и не использоваться, а просто храниться где-то в том или ином виде. Она также может копироваться, искажаться и теряться. В принципе, история человечества – это история производства, передачи, искажения и потери информации, своего рода долгая игра в испорченный телефон.

Что является материальным носителем информации, которая передается от материнской клетки дочерним? На чем она записана, как передается в череде клеточных поколений и каким образом определяет свойства клеток? Гипотезу о том, что от клетки к клетке передается нечто нематериальное, например некоторая общая идея о том, что данная клетка и все ее предки и потомки принадлежат к гордому сообществу синегнойных палочек, мы рассматривать не будем. Вместо этого предположим, что материальным носителем генетической информации является какое-то вещество, находящееся в каждой клетке. Каждая клетка должна получить это вещество от материнской клетки (предыдущего поколения), а затем передать его дочерним клеткам (следующему поколению) в неизменном или почти неизменном виде.

Поскольку клеточное деление всегда бинарно, мы можем с уверенностью утверждать, что, каким бы ни было вещество наследственной информации, оно должно каким-то образом удвоиться в материнской клетке, а затем поровну распределиться между двумя дочерними клетками. Мы также ожидаем, что наследственная информация, которую мы договорились рассматривать как текст, должна быть довольно обширной, ведь клетки очень сложно устроены, и было бы странно, если бы всё разнообразие функций даже самой простенькой бактерии можно было описать в двух словах. Любые тексты, большие и маленькие, составляются из стандартного набора повторяющихся знаков, например букв, иероглифов и т. д. Поэтому мы можем ожидать, что материальный носитель наследственной информации, независимо от его химической природы, должен быть какой-то полимерной молекулой, составленной из более простых частей. Эти части должны быть соединены друг с другом так, чтобы их порядок мог бы служить текстом-инструкцией. Вслед за Дарвином мы принимаем возможность происхождения одних видов животных из других за счет изменчивости и отбора. В противном случае нам следовало бы принять, что все существующие и существовавшие виды были созданы в готовом виде каким-то высшим существом. Получается, что генетические тексты, которые определяют свойства клеток, должны быть способны изменяться во времени, а точнее – при передаче из одного поколения в другое, и эти изменения должны быть наследуемыми.

Рис. 7. Структура двуцепочечной молекулы ДНК – сахарофосфатный остов и 4 нуклеотидных основания, образующие комплементарные пары

Материальная природа наследственной информации была раскрыта совсем недавно, в 1953 году, Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком на основе данных, полученных Розалинд Франклин и Морисом Уилкинсом. В полном соответствии с нашими предположениями носителем генетической информации оказалась полимерная молекула – дезоксирибонуклеиновая кислота, сокращенно – ДНК. Атомы, из которых состоит молекула ДНК, самые обычные: кислород, водород, углерод, фосфор и азот. То, как эти атомы соединены друг с другом, объясняет, как записывается генетическая информация и как она передается из поколения в поколение.

Молекула ДНК – цепочка, состоящая из четырех различных элементов (нуклеотидных оснований), сочлененных друг с другом через остатки фосфорной кислоты и дезоксирибозы – вещества, которое с химической точки зрения является сахаром. Нуклеотидные основания: аденин (А), гуанин (G), тимин (Т), цитозин (C) – расположены на монотонном сахарофосфатном остове, как ступеньки на лестнице (рис. 7). Длина сахарофосфатного остова в молекуле ДНК фактически неограниченна: известны непрерывные цепочки длиной в сотни миллионов оснований. Именно порядок оснований вдоль цепочки является генетической информацией, текстовой инструкцией, согласно которой клетка приобретает те или иные свойства.

Рис. 8. Алфавиты – английский, русский и «генетический»

В русском алфавите 33 буквы, в английском – 26 (рис. 8). Это не означает, что один из этих языков беднее другого. Более того, любую мысль на обоих языках можно выразить комбинациями всего лишь двух символов, точек и тире в азбуке Морзе или единиц и нулей в компьютерном коде. Так же и с ДНК: в достаточно длинной последовательности, составленной лишь из четырех «букв» ДНК – A, G, C и T, можно закодировать «текстовое сообщение» любой сложности.

Замечательно, что способ передачи из поколения в поколение информации, закодированной в виде линейной последовательности нуклеотидных оснований, тоже записан в структуре «самой главной молекулы» жизни. В клетках ДНК находится в двуцепочечном состоянии. Две цепочки связаны друг с другом по тому же принципу, как элементы пазла. Если фрагменты пазла плоские и имеют в определенных местах выступы или, наоборот, выемки, то два подходящих друг другу элемента могут быть довольно прочно соединены друг с другом. Атомы в нуклеотидных основаниях связаны друг с другом таким образом, что образуются жесткие плоские структуры определенной формы (рис. 8). На внешнем периметре этих структур фиксированы атомы, имеющие положительный или отрицательный заряд. Подобно подходящим друг другу фрагментам пазла, положительно и отрицательно заряженные атомы одних оснований способны притягиваться к, соответственно, отрицательно и положительно заряженным атомам других. Ученые называют такие взаимодействия «комплементарными», то есть «подходящими» друг другу. Правила комплементарного взаимодействия оснований ДНК очень простые: аденин (А) в одной цепочке ДНК лучше всего подходит к тимидину (Т) и поэтому способен образовывать устойчивую пару с этим основанием в другой цепи, а гуанин (G) способен образовывать пару с цитозином (C) (рис. 7). Пары А-G, А-C, G-Т или T-C гораздо менее прочные, потому что элементы генетического пазла не подходят друг другу или даже отталкиваются, если друг напротив друга оказываются одинаково заряженные атомы. Таким образом, знаменитая двойная спираль образуется в результате комплементарного взаимодействия оснований в отдельных цепочках ДНК.

То, что молекула ДНК имеет спиралевидную форму, связано со свойствами атомов, из которых состоят обе цепочки, и совершенно неважно для осуществления ее биологической функции. Но то, что молекула ДНК «двойная», принципиально важно для понимания того, как наследственная информация передается из поколения в поколение. В двуцепочечной молекуле ДНК порядок оснований в одной цепочке однозначно определяет их порядок в другой цепочке согласно правилу комплементарности. Две цепочки ДНК связаны друг с другом как две половинки застежки молнии. Взаимодействия между отдельными крючочками и петельками молнии или в нашем случае комплементарными основаниями ДНК слабые, но так как таких взаимодействий много, молния остается закрытой, а ДНК в нормальных физиологических условиях – двуцепочечной. Однако молния может быть, при необходимости, раскрыта, а цепочки ДНК – разделены. Например, цепочки ДНК можно легко разделить, подняв температуру до 80–90 ºС. При понижении температуры комплементарные цепочки снова «найдут» друг друга и двуцепочечная молекула восстановится. Эти свойства ДНК используются при проведении цепной полимеразной реакции для диагностики инфекционных заболеваний.

Рис. 9. Репликация ДНК: разделение цепей родительской двуцепочечной молекулы ДНК и синтез новых цепей на матрицах разделенных цепочек

В клетках цепи ДНК могут разделяться и без повышения температуры, образуя одноцепочечные участки, а нуклеотидные основания встречаются не только как составные части длинных молекул ДНК, но и как отдельные молекулярные «буквы». Специальные белки-катализаторы способны выкладывать отдельные буквы А, G, Т и C по матрице одноцепочечной ДНК в порядке, определенном правилами комплементарности, а затем соединять их друг с другом с образованием сахарофосфатного остова (рис. 9). Ученые называют такой процесс копирования молекул ДНК «репликацией». Детали репликации очень сложны, и изучает их наука биохимия. Для нас же важен принцип: цепи молекулы ДНК могут быть разделены и по каждой цепочке, как по матрице, может быть достроена комплементарная цепь. В результате из одной материнской молекулы образуются две дочерние молекулы, которые идентичны материнской, ведь последовательности вновь построенных цепей однозначно определяются последовательностями цепей родительской молекулы!

Кажется, все встало на свои места. Генетическая информация – это текст, состоящий из определенной последовательности четырех нуклеотидных оснований в цепочке ДНК (или пар оснований, если мы говорим о двуцепочечной ДНК). Этот текст определяет природу и свойства клеток и организмов, которые состоят из этих клеток (заметьте, что из последней идеи следует, что последовательности ДНК в клетках разных организмов должны быть разные!). Перед делением материнской клетки в ней происходит репликация ДНК с образованием двух копий исходной молекулы. Эти копии распределяются в дочерние клетки. Так как последовательности оснований в новых молекулах ДНК такие же, как в материнской, то и дочерние клетки оказываются такими же, как материнская. Мы можем с чувством глубокого удовлетворения повторить вслед за первооткрывателями, что «От нашего внимания не ускользнул тот факт, что предложенная нами структура молекулы ДНК объясняет природу наследственности».

«От нашего внимания не ускользнул тот факт, что предложенная нами структура молекулы ДНК объясняет природу наследственности»

(Д. Уотсон, Ф. Крик)

Нам также понятно, почему работают эксперименты по клонированию животных (рис. 6). В ходе этих экспериментов из клетки клонируемого животного (например, «генетического оригинала» овечки Долли) извлекается ядро, в котором содержится ДНК. Это ядро переносится в неоплодотворенную яйцеклетку другой овцы, из которой ядро (а, значит, и ДНК) предварительно удалено. Полученная химерная яйцеклетка содержит ДНК клонируемого животного. Такая яйцеклетка подсаживается суррогатной матери, и рождается ягненок (Долли), все клетки которого происходят из химерной яйцеклетки. Значит, клетки Долли будут содержать реплицированные копии ДНК клонируемого животного, а сама Долли будет генетически неотличима от оригинала, то есть будет его клоном.

ДНК как инструкция/рецепт

Если в последовательности ДНК записана информация о том, какой должна быть клетка, содержащая эту ДНК, то возникает вопрос: как эта информация используется для придания клетке нужных свойств? Представьте себе большую поваренную книгу, в которой хранятся тысячи рецептов. Если наша книга просто пылится на полке, информация, которая в ней хранится, никем не используется – она мертва. Но если кто-то прочтет тот или иной рецепт или набор рецептов и, следуя полученной информации, предпримет какие-то действия, возникнет блюдо, описанное в книге. Информация, хранящаяся в ДНК, организована в отдельные «рецепты», которые называют генами. Так же, как с кухонными рецептами, гены могут сильно отличаться по длине: есть коротенькие, длиной в несколько десятков букв (оснований) ДНК, а есть гиганты, состоящие из миллионов букв А, G, Т и C, расположенных в определенном порядке.

Количество генов у разных организмов различно. У человека и других млекопитающих около 20 тысяч различных генов. У более просто устроенных бактерий и архей – как правило, от 3 до 5 тысяч генов. Вирусы, которые являются внутриклеточными паразитами и полагаются на ресурсы зараженных клеток для самовоспроизводства, ограничиваются несколькими сотнями, а иногда даже десятками генов.

Результатом «молекулярной кулинарии», реализации записанного в гене рецепта, являются белки – их часто называют продуктами генов. Так же, как разные блюда или «продукты рецептов» обладают совершенно разными свойствами, разные белки выполняют совершено разные функции в клетке или организме. Структурные белки создают клеточный скелет, который позволяет клеткам принимать определенную форму; механические белки, например актин и миозин, ответственны за сокращение мышц; белки-насосы располагаются в клеточной мембране и переносят питательные вещества и необходимые ионы внутрь клетки, а продукты ее жизнедеятельности – наружу. Белок гемоглобин присутствует в очень больших количествах в эритроцитах – красных кровяных клетках. Он переносит кислород от легких ко всем тканям организма, а углекислый газ, образующийся в этих тканях, – в легкие. Очень важный класс белков – ферменты. Они катализируют различные химические реакции, увеличивая их скорость в десятки и даже миллионы раз. Именно за счет действия ферментов мы способны эффективно переваривать пищу и использовать полученную от этого энергию для синтеза веществ, необходимых нашему телу. Ферменты связываются с молекулами-субстратами и превращают их в молекулы-продукты. Например, сложная молекула гликогена под действием ферментов распадается на молекулы глюкозы. В клетке происходят тысячи разнообразных химических реакций, и каждая из них катализируется определенным ферментом. Репликацией ДНК, выкладыванием комплементарных букв вдоль одноцепочечной матрицы и их соединением тоже занимается фермент – белок ДНК-зависимая ДНК-полимераза.

Белки – линейные полимерные молекулы, состоящие из соединенных друг с другом аминокислот. Белковый алфавит богаче алфавита ДНК и состоит из 20 различных аминокислотных «букв». Аминокислоты разнообразны по своим свойствам: они могут быть отрицательно или положительно заряженными, гидрофильными, то есть хорошо взаимодействовать с молекулами воды, из которых на 70 % состоят клетки, или, наоборот, гидрофобными и стремиться «спрятаться» от молекул воды. Длина молекулы белка и порядок соединения в ней аминокислот однозначно определяются порядком оснований в гене, кодирующем этот белок. Заданный последовательностью ДНК порядок расположения аминокислот приводит к тому, что линейная молекула белка сворачивается в пространстве и приобретает определенную трехмерную форму. Эта форма в конечном счете и определяет биологическую функцию белковых молекул. Происходит это за счет того, что поверхность свернутого белка с данной последовательностью аминокислот имеет определенную топографию, рельеф, на котором в определенных местах расположены отрицательно или положительно заряженные, гидрофильные и, реже, гидрофобные аминокислоты.

Участок поверхности белка с характерным образом расположенными аминокислотными остатками может взаимодействовать с другими молекулами по принципу комплементарности: напротив положительно заряженной аминокислоты окажется отрицательный заряд молекулы-партнера, напротив отрицательно заряженной – положительный заряд, гидрофобные поверхности будут взаимодействовать друг с другом, а гидрофильные – между собой. Белки, кодируемые разными генами, способны избирательно взаимодействовать с определенными последовательностями ДНК, другими белками, витаминами, питательными веществами, например молекулами сахара, и т. д. (рис. 10). Чем лучше подходят друг другу участки поверхности взаимодействующих молекул, тем прочнее будет взаимодействие. Именно в результате комплементарного взаимодействия и последующего изменения различных молекул клетка (а, значит, и мы сами) живет, растет и изменяется.