Борис Медников - Дарвинизм в XX веке
Однако ДНК не всегда двуцепочечна. Некоторые вирусы имеют одноцепочечную ДНК. В такой ДНК правила Чаргаффа не соблюдаются. У множества других вирусов в качестве генного материала выступает РНК (как двуцепочечная, так и одноцепочечная). Встречается у вирусов также и ДНК, содержащая рибозу вместо дезоксирибозы, и РНК с тимином вместо урацила.
Трудно сказать, какая из двух нуклеиновых кислот возникла первой в процессе становления жизни. На этот счет существуют разные мнения. Вернее всего, вначале было нечто среднее: икс-НК, сополимер рибоз и дезоксирибоз, который удается получить сейчас в эксперименте. Впоследствии роль главного носителя генетической информации взяла на себя ДНК по простой причине — она была более устойчива из-за отсутствия одного из гидроксилов в ее пентозе и двуспиральности. Генетическая информация закодирована лишь в одной из цепей. Вторая, комплементарная, нужна для репликации (удвоения) и репарации. Последний термин требует пояснения. Если из какой-либо цепи ДНК в результате мутационного процесса будет вырвано звено, специальные ферменты, репаразы, «исправят» разрыв, вставив основание, комплементарное к оставшемуся соседу: аденин пристроят к тимину, а гуанин — к цитозину.
Вирусы с одноцепочечными нуклеиновыми кислотами вряд ли были первыми обитателями нашей планеты. Все они — паразиты и размножаться могут только в клетках хозяев. У них нет механизмов для репликации ДНК и синтеза белковых молекул, слагающих оболочку. Все это они заимствуют у хозяев. Поэтому, быть может, справедливо мнение, что организация вирусов — результат вторичного упрощения. Они отказались от белоксинтезирующих систем как многие паразитические черви, обитающие в кишечнике, отказались от ставшей ненужной пищеварительной системы. Образно выражаясь, каждая вирусная частица подобна магнитофонной кассете с записью, а клетка, начиная с бактериальной, — целому магнитофону.
У вирусов нуклеиновые кислоты — относительно короткие цепочки. Наименьшие из известных имеют всего 1000–3000 пар звеньев. Начиная с бактерий геном существенно усложняется, хотя бактериальная ДНК также представлена одной молекулой, образующей единственную хромосому. Звеньев в ее цепи уже около трех миллионов. Бактериальные хромосомы — кольцевые, концы их состыкованы.
При делении клетки хромосома удваивается. Этот процесс осуществляет молекула фермента ДНК-полимеразы, похожая несколько на пуговицу с двумя отверстиями. ДНК-полимераза надевается на хромосому и движется по ней, пристраивая к каждой половине ДНК комплементарную ей половину. Эта реакция требует затраты энергии. Естественно, кольцо хромосомы должно при этом разорваться и потом воссоединиться, иначе дочерние кольца останутся связанными и не разойдутся по клеткам.
Каждая новая хромосома имеет одну половину от старой, а другую — синтезированную заново. Такое деление называется полуконсервативным.
Так же удваиваются гены в хромосомах высших организмов с оформленным ядром. Однако геном животных, растений и простейших устроен много сложнее, чем у бактерий, и содержит, кроме ДНК, комплексированные с нею белки. О структуре его до сих пор идут весьма оживленные дискуссии. Механизм многих явлений, наблюдавшихся издавна цитологами, пока еще остается неясным. Мы даже не знаем, состоит ли хромосома ядерных организмов из одной или нескольких молекул ДНК. На этом основании многие считают, что называть хромосомами генный аппарат бактерий неправильно, и предлагают другой термин — генофор, носитель генов. Но, в конце концов, дело не в названии.
РНК досталась не менее важная роль посредника между ДНК и белком, она же отвечает за перенос аминокислот к фабрикам белка — рибосомам и входит в состав тех же рибосом. Лишь у некоторых групп вирусов РНК переносит генетическую информацию от поколения к поколению. Трудно сказать, всегда ли гены этих вирусов были РНКовыми или же это явление вторично. Во всяком случае многие вирусы, в том числе первый из открытых — вирус табачной мозаики, отлично обходятся без ДНК.
Но так бывает далеко не всегда. Во многих случаях вирус не подавляет клетку своим бурным размножением, а предпочитает встроиться в геном хозяина, передаваясь его дочерним клеткам при каждом новом их делении. Разбойник становится приживальщиком. Это легко сделать ДНК-содержащим вирусам, но как быть РНК-содержащими? Выход один — стать ДНК-содержащими. В белковых оболочках таких вирусов есть особый фермент (обратная транскриптаза, или, как его еще называют, ревертаза), который синтезирует ДНК на нити РНК, и вновь синтезированная ДНК встраивается в геном хозяина. Это явление сейчас усиленно изучается — ведь оно широко распространено у онкогенных вирусов!
Одним из важнейших достижений биологии XX столетия является разгадка способа, при помощи которого генетическая информация закодирована в ДНК, и путей, которыми она передается на белок, а через белок определяет все признаки фенотипа. «Алфавит» жизни, генетический код, представляет тройные сочетания четырех нуклеотидов. Всего может быть 64 таких сочетания; из них 61 кодирует двадцать используемых в белках аминокислот, а три знаменуют окончание «белкового слова», на них синтез белка обрывается. Каждая из аминокислот кодируется несколькими сочетаниями нуклеотидов (триплетами, или, как их иногда называют, кодонами). Такой код называют вырожденным.
Слово «вырожденный» звучит неприятно и даже обидно. Однако ничего обидного в нем нет. Оно просто означает, что на каждую аминокислоту приходится не один, а несколько кодонов. Аналогию можно найти в языке — в соотношениях между звуками и буквами. Нередко одному звуку соответствует несколько букв. Так, в старорусской орфографии было два обозначения для звука «ф» (ферт и фита) и целых три для «и» («и» просто, «и» с точкой и редко применявшаяся ижица). Реформа 1917 года резко снизила вырожденность нашей орфографии, но не уничтожила ее. Именно поэтому Маяковский мог рифмовать — ленив, лифт, прилив — «в» и «ф» в конце слова читаются одинаково.
Какое же значение имеет вырожденность генетического кода для эволюции? Весьма большое — она значительно повышает надежность передачи информации с ДНК на белок. Сначала на матрице ДНК синтезируется так называемая информационная ДНК — так с исходных чертежей снимаются рабочие копии. При этом перекодировки не происходит — лишь тимин заменяется урацилом. На нити информационной РНК (сокращенно иРНК) синтезируются крошечными фабриками белка — рибосомами белковые молекулы. Как раз отсутствие рибосомного аппарата и заставляет вирусы быть облигатными, обязательными, паразитами.
Рибосома «считывает» генетическую информацию с иРНК, причем алфавит из 64 триплетов сменяется алфавитом из 20 аминокислот. Большая часть последних нуклеотидов в триплете необязательна для точного прочтения. Поэтому, если точковая мутация или ошибка считывания изменит третий нуклеотид, то беды не будет — в белок будет включена та же аминокислота и в том же месте.
А если мутация затронет первый или второй нуклеотид? Здесь положение сложнее, но отнюдь не безнадежно. Эта проблема — лишь часть гораздо более общего вопроса о так называемой неизбежной вредности мутаций.
Данные молекулярной биологии позволили по-новому оценить значение мутаций в эволюции. До сих пор распространено мнение о неизбежной вредности мутаций (излюбленная аналогия — попытка улучшить ход часов, ударяя их об стену). Сама по себе эта точка зрения довольно бессмысленна и недиалектична. Мутация вредна — но в каких условиях? Мы уже видели, что для обезьяны в условиях ее обычной диеты мутация в гене фермента, синтезирующего витамин С из глюкозы, безразлична, а у человека может стать причиной цинги. Есть и более эффектные примеры. Известны случаи, когда концентрация гена, летального для гомозигот, тем не менее поддерживается в популяции на высоком уровне, потому что гетерозиготы обладают большим селективным преимуществом.
У человека известна мутация, вызывающая серповидноклеточную анемию (ген S). При этой болезни эритроциты гомозигот имеют форму не круглой лепешки, а серпа. Кислород эти клетки связывают плохо, и рецессивные гомозиготы гибнут в младенчестве от анемии. Согласно уравнению Харди — Вейнберга, концентрация гена S должна быть низкой. На деле она достигает 36–40 % у ряда африканских племен. Оказалось, что гетерозиготы не заболевают малярией или сравнительно легко переносят ее. Установлена прямая связь между заболеваемостью малярией и частотой носительства гена S. Сходный эффект вызывают гены Т (средиземноморские страны) и некоторые другие. Любопытно, что гены, не обеспечивающие иммунитет к малярии, отбором не закрепляются (мутанты гемоглобина Пенджаб, Аравия, Сан-Хозе, названные так по месту обнаружения, и ряд других). Почему же ген S дает устойчивость к малярии?
