Человек редактированный, или Биомедицина будущего - Сергей Львович Киселев

века. Согласно ей, генетическая информация передается от нуклеиновых кислот к белку, но не в обратном направлении. А поскольку записана она в огромной молекуле ДНК, находящейся в ядре, которая сама производить белок не может, то посредником для передачи информации служит еще одна нуклеиновая кислота — РНК, или рибонуклеиновая кислота. Она работает как интерфейс между информацией, находящейся в ядре клетки, то есть в ДНК, и цитоплазмой клетки, где и осуществляются все процессы жизнедеятельности. Можно провести аналогию с современной флеш-картой, в которой USB — это интерфейс для связи с компьютером. Химически РНК от ДНК отличается немного, примерно как глюкоза от сахарозы (два вида сахаров), — она гораздо меньше по размеру и представляет собой одну цепочку нуклеотидов. Рибонуклеиновая кислота копирует часть информации, записанной на ДНК, и, будучи комплементарной копией одной цепи ДНК, точно копирует фрагмент генетического текста. Специальный фермент распознает двухцепочечную ДНК, находит место, где начинается ген (этот район получил название промотор), другой фермент слегка расплетает две нити ДНК, и третий фермент синтезирует одноцепочечную копию гена. Такой процесс называется транскрипцией. С одного гена, то есть определенного генетического текста, транскрибируется много одинаковых молекул так называемой матричной РНК, которая затем выходит из ядра в цитоплазму клетки. И там, по этой молекуле РНК как по образцу, происходит синтез белка, состоящего из отдельных аминокислот. Биологи называют такой процесс трансляцией (переводом), но в его подробности мы углубляться не будем. Итак, в клетке присутствует ДНК от мамы и от папы, и на каждой из ее молекул имеется одна копия гена от мамы и одна копия гена от папы. С каждой молекулы ДНК синтезируется много копий РНК этих генов, а потом с них считывается информация и синтезируется еще больше молекул белка, из которого все строится.

Пожалуй, самой большой неожиданностью для ученых оказалось то, что ДНК с ее линейной структурой (простая последовательность букв генетического текста) оказалась способной порождать немыслимое разнообразие белков не только по аминокислотному составу, но и по форме молекулы. Поначалу в процессе синтеза белка аминокислоты выстраиваются в линейной последовательности, как нуклеотиды в ДНК. Но ниточка готового белка вовсе не намерена всегда оставаться линейной (первичная структура).

Более того, выяснилось, что даже один и тот же линейный белок («кирпичик» любой формы жизни) в немного различающихся условиях внутри клетки приобретает в конце концов совершенно разные формы, сперва закручиваясь в спираль или складываясь в гармошку с образованием вторичной структуры, затем скручиваясь еще больше, — возникает третичная структура. Иногда в одну молекулу соединяются несколько ниточек — полипептидных цепочек, формируя четвертичную структуру.

Почему так происходит? Потому что в клетке существуют отделы, в одном из которых реакция среды может быть кислой, в другом — щелочной, да еще с повышенным или пониженным содержанием различных солей. В разных средах один и тот же белок будет совершенно по-разному сворачиваться в клубочки или компактные шарики (глобулярные структуры, глобулы). И каждый раз эта структура может выполнять иную функцию. Кстати, с повышением температуры у белков тоже будут постепенно возникать нарушения глобулярной структуры. Они будут изменять, как говорят по-научному, конформацию, то есть внешний вид. А это неизбежно скажется на их функциях.

КАК КЛЮЧ В ЗАМОК

Какое значение может иметь конформация молекулы белка? Давайте схематично представим взаимодействие двух молекул как взаимодействие ключа с замочной скважиной. Если у нас два правильных белка, то есть один — ключ, а второй — замочная скважина, то они находятся в правильном функциональном состоянии. Ключик хорошо вставляется в замочную скважину и выполняет свою функцию открывания замка.

Но если у нас вдруг изменился хоть один белок, то ключ просто не подходит к замочной скважине, и молекула не выполнит ту функцию, для которой она предназначена. Поэтому в природе такая тонкая настройка всегда совершается при изменении температурных или химических условий как в случае ДНК, так и по отношению к любому белку.

Универсальный код

Чем, с точки зрения генетики, отличается человек от бактерии? Мы уже знаем, что генетический текст состоит всего из четырех букв, но в различных комбинациях (это могут быть АТГЦ..., ААТТТ..., ГЦЦЦ... и любые другие, которые можно придумать и написать). Все эти комбинации на первый взгляд выглядят полной абракадаброй, как и весь генетический текст, который из них состоит, но ученые уже смогли расшифровать большую его часть. Прорыв произошел в середине XX века, когда британские ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик на основании рентгеноструктурного анализа Розалинды Франклин объяснили структуру молекулы ДНК. Они выяснили, что она состоит из двух определенным образом сплетенных друг с другом цепочек комплементарных оснований (нуклеотидов), соединенных водородными связями. Позднее была раскрыта суть генетического кода: каждый его элемент — это триплет, то есть сочетание трех последовательно расположенных нуклеотидов, посредством которых закодирована одна аминокислота.

РАСТЕНИЯ СЛОЖНЕЕ ЖИВОТНЫХ?

 Количество букв генетического текста в ДНК не определяет напрямую сложность организма. Так, если у человека геном включает три миллиарда букв (или в условных единицах — три гигабайта), то геном растений может содержать 1012 букв (три тысячи гигабайта) и даже больше. Но это вовсе не означает, что растения сложнее животных. Просто в геноме растений многократно повторяется одно и то же, а дополнительной информации там нет. Таким образом, мы имеем дело не с увеличением генетической информации, а с увеличением количества ее копий. Не возрастает с количеством букв и надежность передачи наследственной информации. Клетки делятся, и при их делении происходит копирование информации. Это напоминает переписывание длинного текста. Чем длиннее текст, который мы переписываем, тем больше мы допускаем ошибок — это естественный процесс. Поэтому наличие многих копий генома, как у растений, с надежностью никак напрямую не связано.

Несколько таких триплетов полностью определяют, какой белок получится, поскольку белки состоят из отдельных аминокислот, число которых невелико — чуть больше двадцати. Но при этом все белки разные, каждый уникален, потому что комбинации из двадцати аминокислот в первичной последовательности белка тоже могут быть совершенно разными. Это общий принцип кодирования информации о живых организмах в природе.

Генетический код, то есть триплеты нуклеотидов, которые