Мария Кондратова
Кривое зеркало жизни
Структура генома не случайна
Описание структуры человеческого генома в учебниках зачастую выглядит как набор не связанных между собой фактов. На самом деле каждый элемент в этой сложной системе подчинен решению конкретной и очень непростой биоинженерной задачи – обеспечения сохранности генетического материала организма.
Только представьте: общая длина ДНК в клетке человека составляет около двух метров при среднем размере клетки 10–100 микрометров (1 мкм = 0,000001 м). То есть каждой клетке в нашем теле необходимо упаковать, не запутав и не порвав, тончайшую молекулярную нить в крошечный объем. Попробуйте при случае проделать аналогичный эксперимент с парой метров шелковой нити, и вы поймете, насколько это непросто.
В молекуле ДНК имеется множество активных химических групп – фосфатных остатков, гидроксилов, аминогрупп, – способных вступать в разнообразные реакции, а внутриклеточная среда, в которой она находится, представляет собой весьма энергичный химический “бульон”. Как в таких непростых условиях избежать повреждения полимера?
Но главное – геном не просто энциклопедия клеточной информации, чья основная повседневная функция – “стоять на полке” в ожидании редкого читателя, а скорее “техническая документация”, определяющая повседневную жизнь клетки. Та или иная ее часть постоянно пускается в ход, направляя синтез различных белков. ДНК мало компактно упаковать, сохранить от нежелательных воздействий и “убрать в закрома”. Необходимо, чтобы при этом она продолжала работать – эффективно взаимодействовать с клеткой и регулировать ее жизнедеятельность, “включая” и “выключая” разные гены. Ну и конечно, не будем забывать: живые клетки размножаются делением, а это значит, что для сохранения “самоподобия” всех клеток многоклеточного организма в каждом таком случае геном материнской клетки должен быть сначала скопирован, а потом равномерно распределен по двум новым – дочерним – клеткам. Для соблюдения всех этих условий в биологических системах выстроена сложная иерархическая организация генома.
Начнем с основ – с химической формулы ДНК, которая состоит из последовательности мономеров нуклеотидов. Как нам уже известно, кроме ДНК, в живых клетках встречается другая нуклеиновая кислота, рибонуклеиновая (РНК), – в эволюционном смысле, как считают ученые, “старшая сестра” ДНК, возникшая намного раньше. У РНК в клетке много разных (и очень важных) функций, но хранение биологической информации в их число не входит. Геномы всех клеточных форм жизни, от бактерий до человека, построены только из ДНК (исключение составляют лишь некоторые вирусы). Существует немало предположений, почему так получилось, но самое правдоподобное – различие в ролях ДНК и РНК связано с различиями в их молекулярном строении. Полное наименование ДНК – ДЕЗОКСИрибонуклеиновая кислота. Сахар рибоза в ее составе немного изменен по сравнению с РНК (РИБОнуклеиновой кислотой): вместо гидроксила в одной из позиций находится водород, что делает молекулу менее гибкой, но более стабильной. Именно это свойство – стабильность – позволило ДНК выиграть у РНК молекулярную конкуренцию и занять место главной хранительницы генетической информации невообразимо древнего и, вероятно, еще доклеточного мира.
Первичная возможность для сбережения и копирования генетической информации заключена уже в пространственной структуре этого необычного полимера, который в клетке никогда не бывает представлен одиночной нитью, но всегда имеет форму спирали из двух разнонаправленных молекул, подходящих, или, как говорят ученые, “комплементарных”, друг другу так, чтобы образовывать красивую симметричную и стабильную структуру. За ее предсказание и описание в свое время ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик получили Нобелевскую премию.
Симметрия пространственной структуры ДНК достигается за счет того, что напротив остатков большего размера аденина (А) и гуанина (G) всегда стоит остаток меньшего объема тимина (Т) и цитозина (С).
Стабильность достигается за счет того, что напротив одного остатка, способного образовывать две или три водородные связи, всегда стоит второй с аналогичными свойствами (А – Т, G – C), чтобы ни одна возможность для образования связи не оказалась утраченной. Кроме того, уложив аккуратными стопочками внутри спирали массивные и гидрофобные (жирные, буквально – “боящиеся воды”) нуклеотиды и выставив наружу полярные, “дружащие с водой”, остатки фосфорной кислоты молекул, ДНК также увеличивает свою стабильность.
Принцип комплементарности приводит к тому, что, зная последовательность одной (любой) нити ДНК, вы всегда можете достроить вторую, комплементарную ей, нить. Именно это происходит при делении клетки, когда генетическая информация удваивается.
Но для нас сейчас важнее то, как спиральная структура ДНК помогает сохранению генетической информации. С одной стороны, она изолирует нуклеотиды (последовательность которых, собственно, и является значимой, “кодирующей” частью полимера) внутри спирали, защищая их от химических воздействий и модификаций. С другой – любая “неправильность” в спаривании “неподходящих остатков”, например А – С или С – С, тут же приведет к нарушению регулярной структуры спирали и с легкостью может быть обнаружена и исправлена.
Благодаря большому количеству остатков фосфорной кислоты молекула ДНК в воде имеет отрицательный “кислотный” заряд, и, чтобы скомпенсировать его и привести молекулу в более “нейтральное”, а значит, менее активное в химическом смысле состояние, клетка использует специальные белки гистоны, богатые положительно заряженными “щелочными” аминокислотными остатками, которые образуют белковый комплекс нуклеосому. Спираль ДНК наматывается на шарик нуклеосомы, образуя структуру, названную наблюдательными биологами “бусины на нитке”. Потом эти бусины упаковываются в более плотную структуру – фибриллу, фибрилла, в свою очередь, сворачивается и перекручивается и т. д. В результате образуется хроматин – комплекс из ДНК и белков, который позволяет упаковать наследственную информацию одновременно и плотно, и упорядоченно, а молекулы белков хроматина еще и надежно защищают хрупкую молекулу ДНК от воздействия повреждающих факторов. При этом разные части клеточного хроматина могут быть упакованы с разной плотностью. Гены, активные в данном типе клеток, будут находиться в участках рыхлого хроматина, где они доступны для взаимодействия с белками, а вот “спящие гены” окажутся уложены более плотно.
При делении клетки хроматин ядра собирается в хромосомы. Каждая хромосома – это отдельная “нить” ДНК, максимально плотно упакованная с белками и несущая определенный набор генов. В клетке бактерии, как правило, одна кольцевая хромосома, но большинство многоклеточных организмов построено на основе геномов, содержащих несколько линейных хромосом. Если воспользоваться сравнением из мира библиофилов, то геном бактерии – это “однотомник”, а вот человеческий геном представляет собой целое “собрание сочинений” в 23 томах-хромосомах.
В каждой клетке человеческого тела (за исключением сперматозоидов и яйцеклеток) это “собрание сочинений” присутствует в двух экземплярах – итого 23 пары хромосом. Одна хромосома в каждой паре происходит из материнской яйцеклетки, вторая – из отцовского сперматозоида. Такой “удвоенный”, или, как говорят ученые, диплоидный, набор генов также очень важен. Для чего? Все для того же: для сохранения информации. Если в вашей домашней библиотеке есть два разных издания романа Дюма “Три мушкетера” и одно из них ненароком сгрызет кто-нибудь из домашних питомцев, вы все-таки сможете дочитать историю до конца, взяв второе издание. Точно так же и в клетке: дублирование генов увеличивает “запас прочности” и дает возможность противостоять случайностям и повреждениям.
Хотя генетическая информация сохраняется в ДНК, но качество ее хранения зависит от белков, которые занимаются контролем точности копирования (репликации) ДНК при делении и “починкой” генов, если в них случайно появляются ошибки. Эти белки формируют системы, или пути репарации (восстановления) ДНК. Таких систем в клетке около десятка. Белки систем репарации буквально “сканируют” хромосомы, а когда обнаруживают ошибку – неспаренные основания, или разрыв цепочки, или какое-то другое изменение, нарушающее структуру идеальной двойной спирали, – исправляют ее. Устранение повреждений в последовательности приводит к восстановлению структуры ДНК. Контролирующих систем в клетке несколько, и каждая наиболее чувствительна к определенному типу ошибок (неправильное спаривание оснований, одноцепочечный разрыв ДНК, двуцепочечный разрыв и т. д.). Однако частично их функции “перекрываются”, что дает системам репарации возможность замещать и “подстраховывать” друг друга и повышает генетическую стабильность клетки. Повреждение таких белков-контролеров приводит к тому, что нарушения в геноме перестают своевременно устраняться и начинают накапливаться. Именно это наблюдается при некоторых разновидностях рака.
ФАКТ: геном человека неплохо защищен от повреждений. Но никакая биологическая защита не совершенна, и на то есть причины.
Лирическое отступление
Мир РНК
В этой книге мы будем много говорить о генах (ДНК) и белках и очень мало о РНК, ибо “нельзя объять необъятное” и пересказать все открытия молекулярной биологии, сделанные за прошедшие полвека, в одной небольшой книжке. Однако хочется хотя бы в этом “лирическом отступлении” воздать должное и второй нуклеиновой кислоте, тем более что одной из самых красивых молекулярно-биологических гипотез, сформулированных после “Основной догмы молекулярной биологии”, является гипотеза РНК-мира, объясняющая происхождение трех главных типов макромолекул – белков, ДНК и РНК.
Главный “затык” в понимании возможных путей появления жизни (а точнее, еще “преджизни”) на молекулярном уровне долгое время состоял в том, что функции сохранения и реализации генетической информации в современных организмах закреплены за двумя совершенно разными классами макромолекул – белками и ДНК. Однако вероятность того, что в доклеточном органическом “бульоне” могло случайно образоваться так много разных макромолекул, кажется слишком ничтожной, чтобы рассматривать ее всерьез. Гораздо более правдоподобным выглядело предположение, что у истоков “преджизни” находилась какая-то одна группа макромолекул, сочетавшая в себе способность сохранять информацию и реализовывать ее (например, в форме синтеза собственных копий). Но что же это было за вещество?
Поиски “молекулы-предшественницы” заставили ученых обратить внимание на РНК, которая некоторое время оставалась “в тени” двух других, более знаменитых макромолекул. О способности РНК сохранять генетическую информацию стало известно в ходе изучения вирусов. Эта молекула менее стабильна, чем ДНК, но на заре биологической эры быстрая изменчивость (и значит, способность к эволюции) была, вероятно, скорее достоинством, чем недостатком. В 1967 году Карл Вёзе, Фрэнсис Крик и Лесли Орджел впервые выдвинули предположение, что РНК может быть не только хранителем генетической информации, но и молекулой-катализатором, способной ускорять химические реакции. Это предположение основывалось на том, что РНК может образовывать сложную пространственную структуру, больше похожую на структуру белков (многие из которых являются катализаторами), чем на “палочку” идеальной двойной спирали – обычной структуры ДНК. Позднее это предположение было подтверждено экспериментально, и в 1989 году ученые Томас Чек и Сидни Олтмен получили Нобелевскую премию по химии “За обнаружение каталитических свойств РНК”.
РНК-катализаторы получили название “рибозимы”. В рамках исследований, посвященных проверке гипотез о возможном происхождении жизни, ученым удалось создать искусственные рибозимы типа РНК-полимеразы, способные при определенных условиях катализировать свою собственную копию, что идеально соответствует представлениям ученых о том, как должна была вести себя молекула-предшественница.
Таким образом, согласно современным представлениям, эволюция доклеточного молекулярного бульона протекала следующим образом: каким-то (неизвестным на сегодняшний день) образом из первичного “органического бульона” образовывались нуклеотиды (мономеры – структурные единицы РНК), которые затем соединялись, образуя молекулы РНК. Некоторые из этих случайных макромолекул обладали способностью самовоспроизводиться и начинали эволюционировать, “конкурируя” друг с другом молекулами за ограниченный ресурс нуклеотидов. Постепенно образовались целые ансамбли катализирующих РНК, которые работали согласованно и стали специализироваться по функциям.
Накопление случайных мутаций привело к появлению молекул РНК, катализирующих синтез белков. Белки оказались более эффективными катализаторами, чем “родительские” РНК, и эти мутации закрепились в ходе естественного отбора. С другой стороны, часть молекул РНК утратила гидроксил в сахаре и превратилась в ДНК, оставив себе из всех функций лишь хранение генетической информации. Так, еще задолго до появления первых клеток, зарождался современный биохимический мир, базирующийся на ДНК и белках, в котором РНК утратила свою ведущую роль, но сохранилась, с одной стороны, как молекула-посредник (матричная РНК), а с другой – как регулятор целого ряда важнейших и, вероятно, древнейших процессов, таких, например, как синтез белка. Рибосомы-органеллы, синтезирующие белки, состоят из молекул РНК и белка, но каталитическую функцию, отвечающую за присоединение аминокислотных остатков к растущей белковой цепи, выполняет в них именно РНК.
Последние годы все больше и больше внимания ученые уделяют некодирующим частям генома, о которых вскользь упоминалось выше. Оказалось, что многие из них не такие уж и некодирующие, как считалось раньше. В человеческом геноме было обнаружено множество участков, с которых считывается РНК, но не транслируются белки. Эти нетранслируемые молекулы РНК играют важную роль в регуляции многих клеточных процессов, в том числе и связанных с раком.
Наследственность и изменчивость: Зачем нужны мутации
Как бы сложна и эффективна ни была система защиты человеческого генома, она все-таки не способна полностью обезопасить его от повреждений, хотя значительно снижает вероятность молекулярных ошибок.
Ошибки, а точнее будет сказать, “изменения” в геноме называются мутациями. В соответствии с иерархической структурой генома они могут проявляться на всех его уровнях. Одни мутации затрагивают лишь один или несколько нуклеотидов – молекулярных “букв” генетического алфавита – и называются “точечными”, другие нарушают большие фрагменты генов. Это генные мутации. Третьи повреждают целые хромосомы. Наконец, бывают мутации геномные – изменения числа хромосом в клетке. Одна из таких мутаций – причина синдрома Дауна, при котором в геноме присутствуют не две копии 21 хромосомы, как положено, а три.
Как было сказано выше, наш геном хранит информацию, с одной стороны, об аминокислотной последовательности каждого белка, с другой – об особенностях регуляции его активности. Мутация в кодирующей части гена может привести к изменению структуры белка и повлиять на его способность выполнять свои функции. Классическим примером такой мутации является повреждение белка гемоглобина при серповидноклеточной анемии в результате замены одного аминокислотного остатка. Мутация в регулирующей части генома может привести к тому, что нормальный с точки зрения аминокислотной последовательности белок начнет синтезироваться в количестве большем (или меньшем), чем это необходимо, что также нарушит нормальную жизнедеятельность клетки.
Кроме объема генетического материала, задетого мутацией (один ген или целая хромосома), имеет значение и в какой клетке – соматической или половой – произошло нарушение. Соматические клетки – это все клетки человеческого организма, кроме половых (сперматозоидов и яйцеклеток). Мутация, случившаяся в соматической клетке, затрагивает только ее саму и ее потомков (если эта клетка, несмотря на повреждения, продолжает делиться). Остальные клетки организма останутся здоровыми и могут компенсировать дефекты своей поврежденной соседки. Совсем другое дело, когда мутация важного гена или даже хромосомы присутствует в половых клетках – тогда зародыш, который образуется при участии мутировавшей яйцеклетки или мутировавшего сперматозоида, будет нести это нарушение во всех клетках своего организма (в том числе и в половых). Такие мутации называются генеративными, и именно они ответственны за проявление большинства заболеваний, которые мы называем “наследственными”. Одно из таких заболеваний – гемофилия, болезнь, передающаяся по женской линии (нарушение, приводящее к ней, присутствует в Х-хромосоме). При этой болезни у человека с рождения нарушена свертываемость крови и даже небольшая рана может привести к тому, что он потеряет много крови. От гемофилии страдал сын последнего российского императора царевич Алексей. Дефектную хромосому он, по всей видимости, получил от своей матери Александры, в роду которой неоднократно отмечались случаи этого заболевания.
Накопление мутаций в половых клетках с возрастом приводит к повышенному риску развития генетических аномалий у детей родителей старшего возраста. Причем если раньше акцент делался только на возраст матери, то исследования последних десятилетий показали, что возраст отца также имеет большое значение для формирования здорового зародыша. Социально одобряемая стратегия современного человека отложить рождение детей “на потом” входит в серьезное противоречие с его биологической природой и рано или поздно может обернуться не только медицинскими, но и общественными проблемами.
Мутации соматических клеток при половом размножении не наследуются, вот если бы люди размножались почкованием – тогда другое дело! Впрочем, и соматические мутации, как мы увидим дальше, “безвредны” лишь до какого-то предела. Именно они – основная причина ракового перерождения клеток.
Поскольку в этой книге мы будем говорить, главным образом, о нарушениях генома, приводящих к появлению злокачественных опухолей, у читателя может возникнуть превратное представление, будто всякая мутация – зло. Но это не так. Совсем не так. Мутация – это изменение. А изменения возможны не только к худшему, но и к лучшему. Эволюция конструирует новые виды и совершенствует старые неэкономным, но эффективным методом – проб и ошибок. Чтобы жизнь могла развиваться, живым системам присуща не только наследственность – способность сохранять генетический материал и передавать его потомкам, но и изменчивость – не 100-процентная точность этого сохранения и этой передачи. Мерой изменчивости является частота мутаций. Благодаря ей у потомков могут появиться какие-то новые свойства, которых раньше у вида не было, – более темная кожа, чтобы лучше чувствовать себя в жарком климате, или способность переваривать молоко не только в младенчестве, но и в зрелом возрасте, которая отсутствует у животных, но имеется у большинства людей. Мутационный процесс – это рулетка, но иногда в нее можно выиграть.
Материалом для естественного отбора и эволюции вида служит, прежде всего, изменчивость сперматозоидов и яйцеклеток. Однако, поскольку механизмы защиты генома примерно одинаковы во всех клетках человеческого тела, за возможность эволюционировать нам приходится расплачиваться риском соматических мутаций, и некоторые из них приводят к раку.
В настоящее время считается, что все современное человечество происходит от небольшой группы людей, вышедшей из Африки. Разнообразие типов, которое мы наблюдаем сейчас: светлокожие и темнокожие, высокие и миниатюрные, кудрявые и с гладкими волосами, – результат неравномерного накопления мутаций в разных человеческих группах, плод эволюции. А такие неприятные вещи, как рак и наследственные заболевания, суть “эволюционная плата” позвоночных за достижения – развитие мозга и большую продолжительность жизни, которые тоже когда-то выглядели как “ошибки” относительно более ранних генетических программ наших червеобразных предков.
ФАКТ: в нарушениях генома заложена не только опасность, но и потенциал к развитию. Они – наша “эволюционная плата” за возможность усложнения и эволюционирования. К сожалению, из-за того, что “ломать – не строить”, шанс заполучить вредную мутацию для отдельно взятого человека (или отдельной клетки) гораздо выше, чем вероятность приобрести полезное изменение.
