Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир
Шрифт:
РНК, как следует из названия, похожа на ДНК. Это тоже цепочка из нуклеотидов четырех типов, три из которых (A, Ц и Г) аналогичны нуклеотидам ДНК, а четвертый (У, урацил) заменяет в РНК тимин (T). Белковая машина, называемая РНК-полимеразой, связывается с промоторной последовательностью ДНК и перемещается по двойной спирали, как язычок замка-молнии, разделяя две нити и выстраивая по нуклеотидной последовательности одной из них, матричной, комплементарную цепочку РНК (см. рисунок) [21] . Процесс копирования информации из формы ДНК в форму РНК называется транскрипцией – по аналогии с транскрипцией произносимых слов в текст или переводом рукописного текста в печатный.
21
В отличие от упомянутой раньше ДНК-полимеразы, РНК-полимераза не нуждается в короткой нуклеотидной затравке (праймере) для начала синтеза и в ферментах-помощниках (хеликазах) для расплетания цепей ДНК.
РНК
22
Разновидность РНК, которая служит шаблоном для синтеза белка, называется матричной или информационной: мРНК или иРНК.
Следовательно, тот или иной сегмент ДНК определяет, какой белок будет создан в ходе транскрипции, а затем трансляции. Поскольку ДНК передается от родителей детям через яйцеклетку и сперматозоид, каждый из таких сегментов обеспечивает наследственную передачу черт – показателей активности и иных свойств соответствующих белков. Так, ваша способность видеть цвет обеспечивается тремя разными белками, каждый из которых реагирует на свет определенной длины волны и производится в одном из трех типов колбочек в вашей сетчатке. Возникновение отличий хотя бы в одном триплете, кодирующем одну аминокислоту из приблизительно 350 в составе каждого из этих белков, может привести к небольшим, но ощутимым отклонениям в цветовосприятии. В более радикальных случаях, когда полностью теряется участок ДНК, кодирующий тот или иной светочувствительный белок, развивается одна из форм дальтонизма1.
Можно подумать, что сегменты ДНК, кодирующие белки, мы и называем генами. Это почти, но не совсем так.
Клетки должны не только определять, какой репертуар белков им нужно создавать, но и контролировать, когда и в каком количестве их производить. Некоторые участки ДНК не кодируют белковые последовательности, а влияют на считывание других сегментов механизмами транскрипции и трансляции. Например, белки из класса факторов транскрипции могут прикрепляться к промотору возле начальной точки работы РНК-полимеразы, уменьшая или увеличивая вероятность того, что полимераза займет нужное место и начнет транскрипцию. Мы уже видели такой пример, когда рассматривали рецептор глюкокортикоидных гормонов. Другой вариант: участок ДНК может транскрибироваться в РНК без последующей трансляции в белок, и сама эта РНК способна взаимодействовать с ДНК или с другими РНК, оказывая влияние на синтез белков. РНК участвует в регуляции жизнедеятельности клетки множеством способов, в которых мы начали разбираться совсем недавно и повысили в итоге статус РНК с простого посредника между ДНК и белком до критически важного участника этих молекулярных «переговоров». Так, чувствуя голодание, клетки производят РНК под названием GAS5 (транскрипт 5, специфичный для остановки роста), которая прикрепляется к ДНК-связывающей области глюкокортикоидного рецептора и таким образом препятствует его взаимодействию с мишенью: структурное сходство с ДНК позволяет РНК служить обманкой2.
Регуляция процессов, в ходе которых генетическая информация трансформируется в те или иные молекулы, важна не менее, чем сама эта информация, и тоже попадает в определение гена: ген – это отрезок ДНК (за редким вирусным исключением), кодирующий какую-либо наследственную характеристику, обычно соответствующую одному белку или молекуле РНК, и включающий в себя некодирующие регуляторные последовательности. Это громоздкое определение, к тому же постоянно меняющееся, но жизнь и не обязана соответствовать нашему стремлению к простой терминологии. Ситуацию осложняет и то, что термин «ген» по старинке часто трактуют только как белок-кодирующий сегмент ДНК. В этой книге я постараюсь быть максимально точным и понятным. К счастью, вопрос, к которому мы подошли, достаточно прост.
Теперь мы научились читать геномы любых организмов, то есть устанавливать их полные нуклеотидные последовательности. Поскольку мы умеем выявлять промоторные последовательности, которые велят транскрипционной машине начинать работу, и последовательности-терминаторы, приказывающие ее заканчивать, мы можем посчитать число генов в геноме того или иного организма. В бактериальной клетке их несколько тысяч, и каждая бактерия способна конструировать тысячи разных белков. В геноме бактерий, вызывающих туберкулез и холеру, примерно по 4 тысячи генов, около 98 % из которых кодируют белки3. Геном болгарской палочки – подвида Lactobacillus delbrueckii, часто применяемого для превращения молока в йогурт, – содержит менее 2 тысяч белок-кодирующих генов4.
В человеческом геноме около 20 тысяч генов, кодирующих белки. Точно установить число так называемых некодирующих генов, производящих нетранслируемые РНК, сложнее, но предполагают, что их примерно столько же5. Не спешите, впрочем, задирать перед бактериями нос: наше превосходство нельзя назвать сногсшибательным, если учесть, что при кажущейся колоссальной разнице в сложности организмов разница в фактическом числе наших генов менее чем десятикратная. Более того, нас нельзя назвать особенными даже среди эукариот (организмов, клетки которых хранят свой наследственный материал в окруженном мембраной ядре). Около 20 тысяч белок-кодирующих генов насчитали в геноме домашней лошади, обычной домовой мыши и даже шпорцевой лягушки Xenopus tropicalis. У некоторых организмов генов меньше. Плодовая мушка Drosophila melanogaster и гриб Schizophyllum commune имеют примерно по 13 тысяч белок-кодирующих генов, а сапсан – около 16 тысяч. У хлебной плесени Neurospora crassa их около 10 тысяч, а у почвенной амебы Dictyostelium discoideum – около 13 тысяч. Однако есть и организмы с гораздо большим числом генов, чем у нас. ДНК крошечной дафнии Daphnia pulex, почти прозрачного ракообразного длиной не более миллиметра, кодирует 31 тысячу белков, и это пока рекорд среди животных с прочитанным геномом. Рис имеет около 30 тысяч белок-кодирующих генов, а кукуруза вообще обошла нас вдвое с почти 40 тысячами генов белков и десятками тысяч некодирующих генов6. Иными словами, число генов очень мало говорит нам о сложности организмов и их способностях.
Мы рассматривали ваш геном как базу данных из 20 тысяч белок-кодирующих генов, но это еще и физический объект – последовательность нуклеотидных пар A-T и Ц-Г, которые представляют собой ступеньки винтовой лестницы ДНК, занимающие физическое пространство. Давайте сначала рассмотрим нуклеотиды, а затем – само пространство. Ваш геном состоит примерно из 3 миллиардов спаренных нуклеотидов. Бактериальные геномы куда скромнее и обычно не превышают нескольких миллионов пар нуклеотидов (п. н.). У возбудителей туберкулеза и холеры, например, по 4 миллиона п. н., а у L. delbrueckii – около 2,3 миллиона. Но люди не особо выделяются и по этому параметру. Геном мыши сравним по размеру с вашим, а геном плодовой мушки примерно в 25 раз меньше. Меньше и геном риса: всего около 430 миллионов п. н. (Если это кажется вам странным – ведь у риса же так много генов, – не переживайте, вскоре мы к этому вернемся.) Зато особенно велики геномы саламандр, включающие от 14 до 120 миллиардов п. н. ДНК двоякодышащих рыб состоит из 130 миллиардов п. н., а геном растения Paris japonica – из колоссальных 150 миллиардов, то есть он в 50 раз больше человеческого и, вероятно, может считаться рекордсменом по размеру. Казалось бы, его превосходит геном одноклеточной амебы Polychaos dubium, составленный из 670 миллиардов п. н., но это спорное число, поскольку определялось устаревшими методами. (Я поражен, что никто еще не пересмотрел ДНК этого существа. Если вы читаете эти строки и располагаете свободным временем с секвенатором в придачу – дерзайте!) Как и в случае с числом генов, прямой связи между размером генома и сложностью организма не прослеживается7.
Считая гены и оценивая размеры геномов, мы обнаруживаем удивительную вещь. Как мы отметили, у человека 3 миллиарда пар нуклеотидов и около 20 тысяч генов, кодирующих уникальные белки. Размеры белков сильно варьируют, но в среднем человеческий белок содержит примерно 400 аминокислот, каждая из которых определяется тремя нуклеотидами ДНК. Следовательно, для создания 20 тысяч уникальных белков необходимо около 20 000 x 400 x 3 = 24 000 000 п. н. Но в человеческом геноме не 24 миллиона спаренных нуклеотидов, а 3 миллиарда. Этот геном в 100 с лишним раз больше содержащейся в нем белок-кодирующей ДНК! Так сложилось, что мы узнали длину человеческого генома раньше, чем его нуклеотидную последовательность и число генов в нем, и столь малое количество белок-кодирующих генов по сравнению с ожидаемым от генома такого размера стало для нас сюрпризом. У риса разница не столь велика, но все равно достигает порядка. Как правило, большая часть генома непосредственно не кодирует белки. Что же тогда она делает? Во многом это остается загадкой до сих пор. Некоторые участки генома транскрибируются в РНК, но потом не транслируются в аминокислотные цепочки. К ним относятся, как отмечалось раньше, независимо работающие молекулы РНК, а также сегменты РНК, которые вырезаются в ходе сплайсинга из транскрипта, синтезированного РНК-полимеразой, до его трансляции рибосомой. Впрочем, значительная часть некодирующей ДНК даже не транскрибируется в РНК, но может влиять на считывание генов, например, формируя места вроде промоторов.
Прежде чем углубиться в тему избыточности генома, давайте получше проработаем его физическую сторону. В начале этого раздела мы спросили: «Насколько велик ваш геном?» – и дали биологически точный, но физически неудовлетворительный ответ: в нем 3 миллиарда спаренных нуклеотидов [23] . Но насколько же он большой? Если вытянуть каждую из двух копий вашего генома, содержащихся почти во всех ваших клетках, в одну линию, длина этой линии достигнет метра. Диаметр клеточного ядра, где хранится ДНК, составляет всего несколько микрометров (миллионных долей метра).
23
Указанные 3 миллиарда п. н. – это средний размер гаплоидного генома, то есть содержимое гаплоидного набора хромосом: 22 аутосом и одной половой хромосомы, X или Y. По актуальным на 2023 год данным, гаплоидный геном женщины состоит из 3 054 815 472 п. н., мужчины – из 2 963 015 935. ДНК в составе митохондрий добавляет каждой клетке еще 16 569 п. н. Клетки человека, за исключением половых, содержат двойной (диплоидный) набор хромосом, а значит, 6 миллиардов п. н.