Как молекулярная биология высадилась на Луну
Как молекулярная биология высадилась на Луну
Передавая свой геном по наследству, человек тем самым вручает потомству сохраненные в ДНК тексты, которые определяют большую часть структуры и свойств его жизни. Это обстоятельство объясняет, почему в июне 2000 года генетики Коллинз и Винтер находились в центре внимания. Они стали первыми учеными, прочитавшими генетический код человека — текст, состоящий всего из четырех букв: А, Ц, Т и Г (А, С, Т, G, лат.).
Это первые буквы названий нуклеотидов — аденина, цитозина, тимина и гуанина, которые всегда попарно образуют ступеньки лестницы ДНК. В их последовательности и кроется в конечном счете план строения всякой жизни. Ибо она кодирует структуру бесчисленных и разнообразных белков человеческого организма.
Каждая часть клетки, каждый фермент, каждое сигнальное вещество, каждая комплементарная реципиентная молекула — это, в сущности, специализированный белок. И все эти элементы постоянно одним и тем же образом синтезируются каждой нашей клеткой с помощью соответствующего только ему участка ДНК. Именно в небольших нюансах кодов ДНК кроется причина генетически фиксированных различий между людьми — например, в том, что касается цвета глаз или волос. Эти различия и приводят к тому, что клетки одного человека синтезируют белки немного иначе, чем клетки другого. А несколько иные белки — это и есть небольшое отличие от других.
С точки зрения химии белки представляют собой длинные цепочки последовательно соединенных простых биомолекул, аминокислот. Таковых существует всего 20 (это если говорить о компонентах белков; в природе аминокислот несколько больше). Но поскольку они могут соединяться в различной последовательности и образовывать цепочки различной длины, а несколько цепочек могут еще и переплетаться, потенциальное количество белков безгранично велико.
«Жемчужное ожерелье» белка уже само по себе способствует тому, что молекула после синтеза принимает определенную форму. Таким образом она осуществляет функцию, отведенную ей в живом организме. При необходимости клетка добавляет внутрь или вокруг белков другие вещества, например минералы, укрепляющие панцирь, зубы или кости. Так что теоретически у природы в запасе бесконечное множество «кирпичиков», из которых она чудесным образом может создавать бесконечное множество красок и форм.
В процессе, называемом биосинтезом белка, каждая клетка создает именно те белки, которые ей нужны. Генетический код сообщает ей при этом, в каком порядке она должна выстроить аминокислоты. Но поскольку в нем всего четыре буквы для маркировки 20 аминокислот, природа прибегает к такому приему: лишь три буквы генного текста способны сообщить клетке, какую «жемчужину» она должна нанизать на «белковое ожерелье». Например, ACT обозначает аминокислоту номер один, GGC — аминокислоту номер два, a CTG — аминокислоту номер три. Следовательно, код ACTCTGCTGACTGGC означает: «В белке, который ты строишь, сначала идет аминокислота номер один, потом дважды номер три, потом снова номер один, а в конце — номер два».
Итак, ген — это маленький фрагмент текста ДНК, содержащий код одного-единственного белка. Обычно в нем имеется также начальная и конечная последовательности, чтобы биомолекулы, которые считывают генетический код и переводят его в «монтажную схему» белка, знали, где им начинать и заканчивать.
Биосинтез белка. В ядре клетки ферменты помогают перенести код ДНК какого-либо гена на так называемую матричную, или информационную, РНК (м РНК или и РНК), последняя еще немного перестраивается, подравнивается, затем покидает ядро клетки и присоединяется к белку, называемому рибосомой, где под ее руководством составляется новый белок (полипептид). Каждый вид аминокислоты доставляется предназначенной только для него транспортной РНК, которая лишь в том случае сможет присоединиться к матричной РНК (и присоединить свою аминокислоту к растущей аминокислотной цепочке), если обнаружит на матричной РНК подходящий код оснований. Таким образом гарантируется, что клетка всегда переводит определенный ген в идентичные белки.
Кроме того, клетка может целенаправленно включать и выключать свои гены, ибо ген активирован только тогда, когда он прочитан и переведен в белок. Для этой цели на ДНК есть специальные контролирующие участки, которые могут блокировать или открывать для считывания несколько соседних отрезков генома — в зависимости от того, реагируют с ними определенные сигнальные вещества или нет. Такие участки называются промоторами. А сигнальные вещества — факторами транскрипции.
Все гены клетки никогда не бывают одновременно активны. Напротив — каждая клетка переводит в белки лишь определенный набор генов. Этот набор называется моделью экспрессии или моделью активации гена. Он определяет, как выглядит клетка и что она в данный момент делает. Однако стартовый сигнал промоторов имеет ограниченный срок действия. Как только исчезает фактор транскрипции, заканчивается и его влияние.
Эта система позволяет клетке удивительно быстро реагировать на новые запросы и даже совершенно точно установить, какие гены в данный момент ей необходимо считывать, а какие — нет. Ведь факторы транскрипции, само собой разумеется, — тоже белки, гены которых клетка может включать и выключать. В конечном счете генная регуляция невообразимо сложна. В каждой клетке существует очень динамичная взаимосвязанная структура многочисленных белков, которые усиливают или ослабляют влияние друг друга. Актуальная модель активации гена клетки — ее временное состояние — следствие этого сложнейшего взаимодействия.
Итак, жизненно необходимая приспособляемость клетки обеспечивается за счет механизмов генной регуляции, позволяющих ей взаимодействовать с внешним миром. В свою очередь, эта приспособляемость облегчает телу и психике процесс адаптации к изменениям окружающей среды. Правда, клетки надолго не запоминают, какие гены в принципе могут быть активированы, а какие нет. То есть они не способны надолго «заморозить» определенные состояния или свойства. Система промоторов не наделяет их ни памятью, ни идентичностью.
За это отвечают биохимические структуры, которым посвящена эта книга, — эпигеномы. Они тоже управляют генной регуляцией, то есть включают и выключают гены, а также реагируют на сигнальные вещества и другие команды. Но их влияние на модель активации гена клетки продолжается и после того, как исчезает первоначальный возбудитель, приведший их к конкретному участку генома или заставивший удалиться от какого-то иного отрезка.
Гены и их контрольные участки распределены по всей ДНК. Неудивительно, что в 2000 году все так воодушевились. По крайней мере, теоретически зная код ДНК и белки человеческого организма, а также схемы их синтеза, можно увидеть всю мозаику жизни.
Геном заключает в себе все доселе не раскрытые тайны человеческого существования — информацию о росте и старении, болезнях и здоровье, индивидуальных и общих чертах, физиологии и психологии, — в этом были уверены не только Клинтон, Вентер, Коллинз и Блэр. Казалось, что постичь эти тайны вполне возможно.
В тот момент большинство наблюдателей верили: надо только сложить два и два — и случится революция в биомедицине. Для исследований потребуется много труда и времени, но дверь в будущее наконец-то распахнулась. Приложив усердие и используя сложную технику, довольно скоро удастся изучить жизнь до самой мельчайшей подробности. И тогда исследование тяжелых болезней, до сих пор считавшихся неизлечимыми, перестанет быть неразрешимой проблемой, полагали оптимисты. А уж после не понадобится много времени, чтобы создать первое поколение высокоэффективных лекарств с минимумом побочных эффектов.
Многие журналисты — признаюсь, я тоже был в их числе — сравнивали этот день с 20 июля 1969 года. Они назвали его «высадкой биологии на Луну». Первые шаги Нила Армстронга на Луне стали кульминацией программы «Аполлон», символом предполагаемого всемогущества физики и техники, успехом самого амбициозного научного проекта прошлого столетия.
Именно поэтому сравнение оправданно: проект «Геном человека», который ученые завершили в 2003 году, был, вероятно, столь же дорогим и, во всяком случае, не менее амбициозным, чем полет на Луну. Генетическая экспедиция стала возможной тоже лишь потому, что на помощь биологам пришла самая современная техника. Более совершенные секвенаторы, более скоростные компьютеры и более удобные программы привели к тому, что в конце концов ученые за пять минут смогли прочесть столько же генетического текста, сколько в середине проекта — в 1995 году — прочитали за одиннадцать дней. Большую часть работы ученые проделали в последние полтора года существования проекта. (Кстати, в 2008 году на то же количество генного текста уходили секунды. Весь геном человека секвенирован за восемь недель.)
Вряд ли тогда кто-либо предполагал, что в ретроспекции возникнет и другая параллель с космонавтикой. Высадка на Луну оказалась малопродуктивной, поскольку со спутника Земли на самом деле взять было нечего. То же самое произошло и с биологами — они довольно быстро поняли: с помощью генетического кода как такового они не смогут достичь всего, на что надеялись. Ученые получили лишь аппаратную часть. А программное обеспечение они и в глаза не видели. Сегодня ясно, что геном далеко не так статичен и неизменен, как предполагали тогда: в нем содержится гораздо больше информации, чем простая последовательность оснований.
Тем не менее результаты, о которых Клинтон, Вентер и Коллинз объявили на той исторической пресс-конференции, действительно явились началом захватывающего процесса, который окажет на нас значительно больше влияния, чем первые шаги человека на Луне. 26 июня 2000 года стало не только кульминацией «геномного столетия», но одновременно и началом «постгеномной эры». Этот день дал важнейший импульс развитию эпигенетики.