Максим Франк-Каменецкий - Самая главная молекула. От структуры ДНК к биомедицине XXI века
Какие же преимущества дает высшим организмам такой запутанный механизм производства мРНК? Ведь он не только очень сложен, но и таит в себе возможности очень грубых ошибок?
В самом деле, физико-химические данные свидетельствуют, что пространственная структура РНК не жесткая, она колеблется между различными состояниями, сильно различающимися по тому, какие участки образуют шпильки или другие элементы пространственной структуры. Это значит, что в одном состоянии про-мРНК будет нарезана на куски одним способом, а в другом – иным. Соответственно, разными окажутся выброшенные участки, и «зрелые» молекулы мРНК будут очень сильно отличаться друг от друга. Кроме того, накопление небольшого числа (или даже одной) точечных мутаций в про-мРНК может существенно нарушить соотношение пространственных структур, которые образует эта молекула.
Гилберт первым обратил внимание на то, что эти недостатки в организации генов эукариот, из-за которых они, по всей видимости, должны сильно уступать прокариотам в точности белкового синтеза, могут обернуться огромными преимуществами в эволюции. Судите сами: большая чувствительность к малым изменениям в ДНК и возможность одновременного синтеза зрелых мРНК с совершенно различными последовательностями нуклеотидов – все это может обеспечить искомое. А именно: испытание самых разных новых вариантов без полного отказа от старого. Это значило бы, что высшие организмы обладают тем механизмом изменчивости и отбора, которого так не хватало для примирения генетики и теории эволюции.
Считают, что экзон-интронное устройство генов сохранилось у эукариот от общего с прокариотами предка, гипотетического прародителя всего живого на Земле, «прогенота». У прокариот в ходе эволюции произошло сокращение управленческого аппарата, и они утратили способность к сплайсингу.
В ходе изучения сплайсинга мРНК Томас Чек (Колорадский университет, США) сделал открытие, оказавшее столь же ошеломляющий эффект, как в свое время открытие синтеза ДНК на РНК. Он обнаружил, что сплайсинг может идти и без участия белков! Сама РНК, без всякой посторонней помощи, разрезает себя на куски, выбрасывает интроны и сшивает экзоны. Конечно, такой «самосплайсинг» наблюдается лишь в редких случаях, для некоторых экзотических РНК, но принципиальное значение имеет сама возможность того, что РНК ведет себя подобно ферменту. До открытия Чека все были абсолютно убеждены, что нуклеиновые кислоты сами по себе, без помощи белков, ни на что не способны. Молекулы РНК, работающие как ферменты, назвали рибозимами.
Способность РНК к ферментативной активности неожиданно проливает свет на одну из центральных проблем предбиологической эволюции. Уже на заре молекулярной биологии стало ясно, что биологической, дарвиновской эволюции должна была предшествовать эволюция молекул. Но какому из двух основных классов биополимеров, белкам или нуклеиновым кислотам, отдать предпочтение, кто из них возник раньше в ходе предбиологической эволюции? Это напоминает вопрос о том, что появилось раньше – курица или яйцо, так как сегодня в клетке белки не могут появиться без ДНК и РНК, а ДНК и РНК ничего не могут без белков. Все же те, кто пытался представить себе, как было дело, склонялись к тому, что сначала были белки, которые как-то могли воспроизводить самих себя.
Открытие рибозимов радикально изменило ситуацию. Теперь кажется наиболее вероятным, что прародительницей всего живого на Земле была молекула РНК. То, что РНК может играть роль вещества наследственности, известно давно, со времени открытия РНК-содержащих вирусов. Теперь мы знаем, что РНК может играть роль ферментов и, наверное, она могла катализировать необходимые для воспроизведения самой себя реакции. Лишь впоследствии, в ходе дальнейшей эволюции, на стадии образования прогенота, РНК передала функции хранения генетической информации ДНК, которая больше подходит для этой цели, а каталитические функции передала молекулам белка, которые обладают уникальной способностью катализировать практически любые реакции.
В современной клетке РНК отведена достаточно скромная роль вспомогательной молекулы. Но следы ее былого величия видны повсюду. По существу, ни один важный, глубинный процесс в клетке не идет без участия РНК, даже тогда, когда, казалось бы, без нее вполне можно было бы обойтись. Например, для репликации ДНК нужна «затравка» (праймер). Роль праймера в клетке всегда играет коротенькая РНК (подробнее об этом мы поговорим в главе 7). А сколько молекул РНК участвует в синтезе белка? Ведь, казалось бы, можно обойтись и без мРНК, и без тРНК, и уж подавно без рибосомальных РНК. Но не тут-то было. К всеобщему изумлению выяснилось, что присоединение следующей аминокислоты к растущей белковой цепи на рибосоме происходит без участия белков, а катализируется рибосомной РНК. Таким образом, одна из самых важных реакций в современной клетке все еще катализируется не белковым ферментом, а рибозимом!
Для нашей прародительницы РНК сплайсинг не был чем-то особенным, так как РНК его легко делает сама. Так что, похоже, прав Гилберт – экзон-интронное устройство генов отражает очень древний принцип организации генетического материала. Оно сохранилось с того допотопного времени (его называют РНКовым миром), когда самой главной молекулой жизни была не ДНК, а РНК.
Прыгающие гены
С наступлением новой эры в изучении генов высших организмов, связанной с появлением генной инженерии и методов чтения ДНКовых текстов, рухнуло не только представление о генах как о непрерывных участках ДНК. Не устояло и другое положение генетики, казавшееся столь же незыблемым и утверждавшее, что все клетки организма имеют одинаковый набор генов. Справедливость его, казалось бы, была раз и навсегда доказана опытами Дж. Гёрдона по выращиванию лягушек-двойников и недавними успехами по клонированию разных животных, о которых мы рассказывали в начале главы 3. Но выяснилось, что и для этого правила есть свои, очень существенные исключения.
Правда, надо сразу оговорить, что если «лоскутное» устройство генов – это правило для высших, что изменению в ходе развития организма подвергаются лишь немногие гены в очень специальных клетках, – это исключение из правила. Важно, однако, что это исключение распространяется на гены и клетки, имеющие для организма особое значение. Это гены и клетки, отвечающие за иммунитет.
Способность к иммунному ответу на вторжение извне – важнейшее свойство нашего организма, позволяющее ему сохранить индивидуальность, бороться против инородных клеток и вирусов. Можно утверждать, что, не будь у людей этой способности, они не могли бы жить так скученно, как живут сейчас. Средневековые хроники полны ужасающих рассказов об эпидемиях, опустошавших целые города, а иногда и обширные территории. Почему же этого не происходит теперь? Конечно, многое дало применение санитарно-гигиенических мер. Но все же главное – это вакцины, т. е. прививки.
Прививка – это как бы заблаговременное предупреждение организма о грозящей ему опасности. Она включает иммунную систему, в результате возводится неприступная стена против потенциального агрессора (бактерии или вируса) заранее, еще до того, как он совершит нападение. Массовые прививки привели к тому, что страшные в прошлом враги человеческого рода, возбудители чумы, холеры, оспы и т. д., не могут теперь найти место, где они могли бы размножаться, их численность практически сведена к нулю. Это один из немногих случаев, когда исчезновение с лица Земли некоторых ее обитателей не беспокоит даже наиболее ярых поборников охраны окружающей среды.
Что же позволяет иммунной системе успешно бороться с разнообразными возбудителями болезней? Роль орудия борьбы играют клетки крови, лимфоциты (белые кровяные шарики) и особые белковые молекулы, иммуноглобулины, называемые также антителами. Лимфоциты образуют не одну, а две линии обороны организма от внешнего нашествия. Первыми распознают и встречают врага (это может быть бактерия, вирус, чужеродный белок или еще какое-нибудь химическое соединение, одним словом, какой-то антиген) Т-лимфоциты, а уже потом вступают в бой В-лимфоциты. Т-лимфоциты несут на своей оболочке белки-рецепторы, которые распознают антиген. В-лимфоциты вырабатывают антитела к вторгшимся антигенам. Рецепторы Т-лимфоцитов, В-лимфоцитов и иммуноглобулины – очень похожие белки.
Иммунная система каждого организма способна вырабатывать невероятно большой набор разных рецепторов и иммуноглобулинов. Точнее, молекулы эти почти одинаковы, они построены по одному и тому же общему плану, но в них есть участки, называемые вариабельными частями, которые отличаются друг от друга своей аминокислотной последовательностью. Лимфоциты – строго специализированные клетки. Каждый Т-лимфоцит несет свой рецептор, узнающий строго определенный антиген. Каждый В-лимфоцит несет свой рецептор и способен вырабатывать только строго определенный иммуноглобулин, связывающийся только с данным антигеном.
