Сиддхартха Мукерджи – Ген. Очень личная история (страница 42)

Синтез белков таким образом идеально подстраивается под требования среды: если предоставить клетке нужный сахар, разом включится полный набор генов для его метаболизма. Эволюция с ее жуткой любовью к экономии породила самое элегантное решение и для регуляции генов. Ничего не работает напрасно: ни гены, ни РНК, ни белки.

Каким образом белок, «чувствующий» лактозу, узнает и регулирует именно гены, ответственные за ее расщепление, и игнорирует тысячи других генов в клетке? Третий главный принцип генетической регуляции, открытый Моно и Жакобом, гласит: с каждым геном ассоциированы специфические регуляторные последовательности ДНК, которые работают как опознавательные метки. После того как сахарочувствительный белок связывается с соответствующим сахаром, он узнает такую метку и включает (либо выключает) целевые гены. Это и служит генам сигналом производить больше РНК, а значит, и нужного для расщепления сахара фермента.

Иными словами, ген несет информацию не только о последовательности белка, но и о том, где и когда производить этот белок. Все эти данные зашифрованы в ДНК; обычно регуляторные последовательности примыкают к началу белок-кодирующей части гена (хотя могут стоять и после нее, и прямо в ней). Регуляторные и белок-кодирующая последовательности в совокупности и составляют ген.

Обратимся вновь к аналогии с предложением. Когда Морган открыл сцепленное наследование в 1910-м, он не нашел явных причин физической взаимосвязи каких-то генов на одной хромосоме: ген черной окраски тела и ген белых глаз, казалось бы, функционально не связаны друг с другом, но тем не менее стоят на хромосоме «плечом к плечу». В модели же Жакоба и Моно бактериальные гены собраны вместе по определенной причине. Те, что действуют в одном метаболическом пути, физически объединены друг с другом: если работаете вместе, то и живете в геноме вместе. Ген оснащен специфическими последовательности ДНК, которые определяют контекст его активности, его «работы». Такие последовательности, предназначенные для включения и выключения генов, можно сравнить с пометками и знаками препинания в предложении: кавычками, запятой, заглавной буквой. Они формируют контекст, расставляют акценты и придают значение, информируя читателя о том, какие части читать вместе и когда сделать паузу перед следующим предложением. Например, так: «Это структура вашего генома. Помимо прочего, он содержит независимо регулируемые модули. Некоторые слова собраны в предложения; другие разделяются точками с запятой, запятыми, тире».

Парди, Жакоб и Моно опубликовали свое монументальное исследование[564] лактозного оперона в 1959-м, через шесть лет после выхода статьи Уотсона и Крика о структуре ДНК. Их работа, получившая благодаря списку авторов название ПаЖаМо (в обиходе – «пижамная»), тут же стала классической. Ее значение для биологии было огромным. Статья ПаЖаМо утверждала, что гены – не пассивные шаблонные инструкции. Несмотря на то, что во всех клетках один и тот же набор генов – то есть их геномы идентичны, – выборочная активация или репрессия определенных групп генов позволяет отдельной клетке реагировать на условия среды. Геном – это активный план, способный реализовываться по частям – в определенное время и в зависимости от обстоятельств.

Белки в этом процессе работают как датчики для регулировки, как главные тумблеры: включают и выключают гены или даже сразу группы генов. Подобно партитуре завораживающе сложной симфонии, геном вмещает все инструкции по развитию и поддержанию жизни организмов. Но геномная «партитура» без белков безмолвна. Белки реализуют информацию в соответствии с актуальными задачами, активируя или подавляя считывание генов (некоторые регуляторные белки еще называют факторами транскрипции). Они дирижируют геномом, извлекают из него нужные музыкальные партии: на 14-й минуте побуждают вступить альт, арпеджио подчеркнуть звоном тарелок, крещендо – барабанной дробью. Концептуально это выглядит так:

Статья ПаЖаМо положила на лопатки главный вопрос генетики: как живой организм с фиксированным набором генов может так чутко реагировать на изменения в среде? Но та же статья предлагала ответ и на главный вопрос эмбриогенеза: как может организм с тысячами типов клеток развиться из эмбриона с тем же самым, одним-единственным набором генов? Регуляция генов – выборочное включение и выключение определенных генов в определенных клетках в определенное время – добавляет решающий уровень сложности вопросу о природе и реализации биологической информации.

Моно утверждал, что именно за счет генетической регуляции клетки способны выполнять свои уникальные во времени и пространстве функции. «Геном содержит не только набор шаблонов[565] [т. е. генов], но и координационную программу <…> и средства контроля ее выполнения», – заключили Моно и Жакоб. Красные кровяные клетки и клетки печени Уолтера Ноэля несли одинаковую генетическую информацию, но благодаря регуляции работы генов белок гемоглобин содержался лишь в эритроцитах. У гусеницы и бабочки геном в точности совпадает, но генетическая регуляция делает возможным превращение первой во вторую.

Эмбриогенез можно рассматривать как постепенное развертывание процессов генетической регуляции, начиная с одноклеточного зародыша. Это и есть «движение», которое Аристотель так живо представлял столетия назад. В одной известной байке средневекового космолога спрашивают, на чем держится Земля. «На черепахах», – отвечает он. «А что держит черепах?» – «Другие черепахи». – «А тех черепах?» – «Да как вы не поймете! – топает ногой космолог. – Черепахи там до самого низа!» Генетик мог бы описать развитие организма как последовательную индукцию (или репрессию) генов и генетических сетей. Гены кодируют белки, которые включают гены, которые кодируют белки, которые включают гены, – и так все время, «до самого низа» – самой первой клетки зародыша. Гены там с самого начала[566].

Регуляция экспрессии генов на уровне ДНК – их включение и выключение посредством белков – объясняет, как на основе одной неизменной копии генетической информации в клетке возникает вся комбинаторная сложность. Но этот процесс не может объяснить копирование самих генов: как гены реплицируются, когда клетка делится на две или когда формируются сперматозоиды и яйцеклетки?

Уотсон и Крик считали, что модель двойной спирали ДНК – с двумя противопоставленными друг другу комплементарными «инь-ян-цепями» – уже сама по себе указывала на механизм репликации. В последнем предложении статьи[567] 1953 года они заметили: «От нашего внимания не ускользнуло, что предполагаемое специфическое спаривание [ДНК] прямо указывает на возможный механизм копирования генетического материала». Их модель ДНК была не просто красивой картинкой: структура молекулы предсказывала самые важные детали ее функций. Уотсон и Крик предположили, что каждая цепь ДНК используется для создания собственной копии, и таким образом из изначальной двойной спирали получаются две таких же. В ходе репликации инь-ян-спираль расплетается. Цепь инь служит матрицей, или шаблоном, для сборки новой цепи ян, а ян – шаблоном для новой инь. В итоге получаются уже две одинаковых инь-ян-пары (в 1958 году Мэттью Мезельсон и Франклин Сталь подтвердили этот механизм).

Но двойная спираль ДНК не может самостоятельно сделать свою копию, иначе она бы воспроизводилась бесконечно и бесконтрольно. Представлялось более вероятным, что за копирование ДНК отвечает фермент – какой-то репликативный белок. В 1957 году биохимик Артур Корнберг решил выделить такой фермент. Корнберг рассуждал так: если фермент, копирующий ДНК, существует, то искать его стоит прежде всего в организме, который быстро размножается, – например, в E. coli в фазе бурного роста.

К 1958 году Корнберг выделил из бактериальной биомассы и хорошенько очистил препарат фермента («Генетик считает, биохимик очищает», – сказал он мне однажды). Он назвал фермент ДНК-полимеразой (ДНК – полимер, состоящий из нуклеотидов А, Ц, Г и Т, а этот фермент производил ДНК)[568]. Когда он добавил в пробирку с раствором ДНК свой препарат полимеразы, источник энергии и запас свежих нуклеотидов, то увидел образование новых цепей нуклеиновой кислоты: ДНК создала ДНК по своему образу и подобию.

«Пять лет назад,[569] – писал Корнберг в 1960-м, – синтез ДНК считали витальным процессом», мистической реакцией, которую нельзя воспроизвести в пробирке, просто добавляя химические реагенты. Согласно этому взгляду, «вмешательство в сам генетический аппарат [жизни], несомненно, не приведет ни к чему, кроме хаоса». Но у Корнберга в ходе синтеза ДНК из хаоса возник порядок: из химических составляющих построился ген. Труднодоступность генов больше не была препятствием.

Надо отметить, что и здесь не обходится без рекурсии: как и все белки, фермент ДНК-полимераза, осуществляющий репликацию, представляет собой продукт гена[570]. В любой геном встроены фрагменты, кодирующие белки, которые позволяют этому геному воспроизводиться. Этот дополнительный уровень сложности – когда ДНК кодирует белок, который ее копирует, – очень важен, поскольку служит одним из главных узлов регуляции. Репликацию ДНК могут включать и выключать разные сигналы и регуляторы, такие как возраст или пищевой статус клетки; это позволяет клеткам копировать ДНК только при готовности делиться. Но в этой схеме есть одна загвоздка: когда нарушается работа самих регуляторов, ничто не может остановить непрерывную репликацию и воспроизводство клеток. Как мы вскоре узнаем, в этом и заключается суть предельной патологии неисправных генов – рака.