Таинственный геном человека - Фрэнк Райан

Итак, очередной шаг к пониманию общей картины был сделан, но он вызвал новые вопросы. «Фабрики» по производству белка нуждаются в контроле. Как именно клетка понимает, какой белок ей нужно собирать? Как она решает, что на данном этапе жизни ей требуется именно этот белок? Как запускается и останавливается производство?

* * *

Возможно, вы помните, что большой вклад в открытие Крика и Уотсона внесла фаговая группа — сообщество ученых из разных стран мира, работающих с вирусами, заражающими бактерии. Троица ученых из Парижа, Андре Мишель Львов, Жак Моно и Франсуа Жакоб, занимались изучением фагов и бактерий-носителей в Институте Пастера. Они сконцентрировали свои усилия на бактериях, которые использовались во всех экспериментах с фагами, — Eschurichia coli, или, для краткости, E.coli. Эти бактерии чаще всего встречаются в человеческом кишечнике. Парижскую группу интересовало открытие, сделанное их американскими коллегами Джошуа Ледербергом и Эдвардом Тейтемом. Американские ученые заявляли, что, вопреки распространенным представлениям, бактерии ведут что-то вроде половой жизни. Обычно бактерии размножаются бесполым путем — дочерний организм просто отпочковывается от материнского, как если бы сосиску перетянули посередине, сделав из одной две. Но иногда у бактерий появляется вырост, играющий роль полового органа, при помощи которого она вводит свой генетический материал в тело другой бактерии. Ученые в шутку называли подобные действия «коитусом».

В 1955 году Жакоб вместе со своим коллегой Элаем Уоллманом стал изучать, как генетический материал переносится от одной бактерии к другой. Они знали, что гены бактерий, как и любых других форм жизни, состоят из ДНК, а также расположены вдоль одной длинной хромосомы, замкнутой в кольцо, которое в одной точке присоединяется к внутренней стороне стенки бактерии. Жакоб и Уоллман выяснили, что в процессе «коитуса» хромосома очень медленно вытягивается из «мужской» клетки и через клеточную стенку медленно проникает в «женскую». В то время как на почкование бактерии требовалось всего 20 минут, «бактериальный секс» занимал почти два часа. Это позволило Жакобу и Уоллману провести несколько экспериментов с «прерванным коитусом», в ходе которых они останавливали процесс в определенные сроки в течение этих двух часов. Поскольку гены бактериальной хромосомы всегда проникают сквозь клеточную стенку в одной и той же последовательности, они смогли наблюдать влияние определенных мутировавших генов и на основе этого определить, в какой части хромосомы находятся гены, отвечающие за те или иные свойства бактерии.

Затем французские ученые решили пойти в своем эксперименте еще дальше и определить, как именно контролируются гены внутри бактерии.

Они сфокусировались на трех генах, позволяющих бактериям транспортировать лактозу внутрь, а затем перерабатывать ее в два других сахара с меньшим количеством компонентов — глюкозу и галактозу. Бактерии нет смысла постоянно держать эти гены в активном состоянии, если лактоза в окружающей среде отсутствует. Французская группа выяснила, что в химии генов имеется механизм контроля. Когда лактозы поблизости не наблюдалось, он активировал «репрессор», который приостанавливал работу трех соответствующих генов. В присутствии лактозы репрессор прекращал действовать, а генетическая область рядом с генами, названная промотором, активировала их экспрессию.

Мы не станем вдаваться в генетические детали. Важно лишь понимать, что в клетках всех живых организмов существуют регуляторные системы, которые включают и выключают гены. Более того, эти системы умеют отслеживать ключевые сигналы, поступающие из-за пределов генома (в данном случае — наличие сахара (лактозы) в окружающей бактерию среде). Это была первая научная демонстрация того, что сегодня мы называем генетической регуляцией, и в 1965 году она принесла Львову, Моно и Жакобу Нобелевскую премию по медицине и физиологии.

* * *

А теперь пришло время магии. Я предлагаю вам прокатиться на волшебном поезде. Представьте себе, что мы внезапно уменьшились до микроскопических размеров, в тысячу раз меньше ретровируса. Клетка человеческого организма стала для нас размером с мегаполис, а нуклеотиды, входящие в состав ДНК, видны невооруженным взглядом. Всего доля секунды нужна нам, чтобы забраться в вагоны и начать увлекательное путешествие.

Звучит свисток — и мы пускаемся в путь. Прямо перед нами слева направо простирается невероятно прекрасная сияющая двойная спираль. Мы приближаемся, она оказывается плоской, но сияние не прекращается, и ее расположение не изменяется. Мы видим, что спираль принимает форму железнодорожного полотна с двумя рельсами и близко расположенными друг к другу шпалами. В течение пары секунд мы можем наблюдать невероятную структуру ДНК вблизи. Затем я останавливаю двигатель, и наш волшебный поезд зависает в клубах пара прямо над полотном. Вы выходите из вагона, чтобы получше рассмотреть, где мы находимся.

Мы прогуливаемся вдоль сияющей молекулы ДНК в направлении будущего движения нашего поезда.

То, что мы принимали за рельсы, оказывается чем-то вроде лент, состоящих из чередующихся четырехконечных звезд и пятиугольников, расположенных под прямым углом к шпалам. Вид этой конструкции потрясает. Звезды и пятиугольники собраны из сверкающих шаров, соединенных силовыми линиями.

Вы подходите поближе, как и я, завороженные этим зрелищем.

— Итак, шары — это атомы, из которых состоят компоненты молекулы?

— Да.

— А кресты и пятиугольники — это?..

— Пятиугольники — это дезоксирибоза, а звезды — поддерживающие молекулы фосфата.

— И из них сделаны рельсы?

— Фосфатные звезды формируют внешний каркас, о котором спорили Уотсон и Крик. Каждая молекула сахара соединяет каркас со шпалой.

— А светящиеся линии между атомами — это стабильные ковалентные связи?

— Да. Фосфаты скрепляют всю конструкцию воедино, а сахар соединяет рельсы со шпалами. Кстати, пора бы присмотреться к ним повнимательнее.

Я позволяю вам медленно пройтись вдоль путей, рассматривая шпалы.

— Они прикрепляются к внутренним углам каждого пятиугольника?

— А что еще вы видите?

— Каждая шпала состоит из двух деталей, соединенных посередине.

— Да, это два комплементарных нуклеотида, но на самом деле соединение не расположено точно в центре.

— Это было бы странно, ведь комплементарные нуклеотиды имеют разную структуру. Вот здесь соединение ближе к верхнему рельсу, а в следующей шпале — к нижнему.

— Пурины (гуанин и аденин — Г и А) шире, потому что содержат по два смежных атомных кольца. А пиримидины (тимин и цитозин) короче, потому что в их состав входит только по одному кольцу.

— Получается, что, так или иначе, шпала всегда состоит из одного пурина и одного пиримидина?

— Да. Это-то и объясняет их форму. Присмотритесь к соединению в центре шпалы и обратите внимание, как совпадают стыки нуклеотидов. Вам не кажется, что это на что-то похоже?