Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей

Панчин Александр

Кроме того, отдельный геном имеется у митохондрий — особых структур внутри наших клеток, у которых есть собственная оболочка (мембрана). Митохондрии как будто маленькие отдельные организмы, которые способны размножаться внутри клеток и имеют ряд важных функций, например производство молекул, используемых в качестве источника энергии во многих клеточных процессах.

Одинарный набор хромосом человека насчитывает примерно три миллиарда нуклеотидов, «букв» — это размер его генома. Двойной набор хромосом — это примерно шесть миллиардов нуклеотидов. Если их сшить вместе и вытянуть в нить, получится молекула длиной примерно два метра, которая тем не менее столь тонка и так плотно упакована, что помещается в клеточном ядре, размер которого всего несколько микрометров (один

микрометр — это одна миллионная метра).

Наиболее изученный тип функциональных последовательностей ДНК — гены, кодирующие белки. С таких генов считывается молекула матричной РНК (мРНК) в ходе процесса, который называется транскрипция, что переводится как «переписывание». РНК, как и ДНК, состоит из четырех типов мономеров, но вместо нуклеотидов тимина (T) в состав РНК входят нуклеотиды урацила (U). Молекула мРНК — одноцепочечная, комплементарная той цепи молекулы ДНК, с которой она «переписана». Она играет роль инструкции для синтеза какого-нибудь белка (протеина). Белки, в свою очередь, могут выполнять очень разные функции: «сшивать» клетки вместе, чтобы те образовывали ткани, осуществлять всевозможные химические превращения, регулировать работу генов и так далее.

Представьте, что у вас есть кулинарная книга (геном), которая содержит множество рецептов (генов). Вы можете сделать ксерокопии отдельных рецептов и разослать их поварам. Книга у вас одна, а копий рецептов и поваров много. Такие рецепты в данной аналогии — РНК. Ну а белки — продукт деятельности поваров: различные блюда. В клетках роль поваров выполняют структуры, называющиеся рибосомами, — молекулярные фабрики для синтеза белков. Процесс синтеза белков называется трансляцией («переводом»).

Белки, как и молекулы ДНК и РНК, являются полимерами, только белки состоят не из нуклеотидов, а из аминокислот. Последовательность аминокислот белка определяется последовательностью кодонов — троек нуклеотидов молекулы РНК, а правило соответствия кодонов аминокислотам называется генетическим кодом. Например, у большинства живых организмов кодон GCC кодирует аминокислоту аланин, а кодон AUG — метионин. Последовательность нуклеотидов AUGGCCGCC кодирует последовательность из трех аминокислот: метионин, за которым следуют два аланина.

Три нуклеотида в кодоне и четыре разные буквы генетического алфавита позволяют создать 4³, или 64, разных кодона, то есть с их помощью можно закодировать 64 аминокислоты. Но в стандартном генетическом коде присутствует всего 20 аминокислот, то есть одна и та же аминокислота кодируется сразу несколькими различными кодонами. Это свойство генетического кода называется вырожденностью. Стоп-кодонов, командующих рибосоме остановить синтез белка, в стандартном генетическом коде тоже несколько, а точнее три: UGA, UAG, UAA. Слева приведена схема стандартного генетического кода. В круге первом расположены 4 возможные первые буквы кодона (A, C, U, G). Напротив каждой большой буквы расположены 4 буквы поменьше — вторые буквы кодона. В следующем круге расположены третьи буквы кодона. В четвертом круге напротив группы кодонов показана аминокислота, которую они кодируют.

Иногда в СМИ можно услышать не совсем корректное выражение «генетический код мутировал». На самом деле мутации происходят не в генетическом коде, а в молекулах ДНК, в геноме, в результате чего меняются нуклеотидные последовательности. Мутации можно сравнить с заменой буквы в отдельном слове. Например, фраза «Маша ехала на мотоцикле» превращается во фразу «Саша ехала на мотоцикле», если одна буква М «мутировала» в букву С. Изменение генетического кода намного серьезнее — это как изменение алфавита. Представим, что во всем тексте буквы М внезапно превратились в буквы К. Теперь у нас «Каша ехала на котоцикле». Понятно, что такие изменения приводят к значительным последствиям и делают практически любой достаточно длинный текст бессмысленным. Поэтому изменения генетического кода происходят крайне редко. Но происходят!

Небольшое

отклонение от стандартного генетического кода есть у некоторых инфузорий. Один или даже два стоп-кодона стандартного генетического кода могут кодировать у этих одноклеточных организмов аминокислоту глутамин [76] [77] . В случае некоторых организмов можно сделать небольшое искусственное изменение генетического кода. Например, ученым удалось взять кишечную палочку и сделать так, чтобы один из ее трех стоп-кодонов начал кодировать аминокислоту [78] . Ну а в природе еще одним любопытным исключением является генетический код митохондрий, отличающийся от стандартного кода сразу несколькими кодонами. Если не учитывать митохондрии, у большинства организмов генетический код один и тот же: у человека он такой же, как у червяка, утконоса или огурца, или даже у кишечной палочки. А вот геномы у этих организмов различаются очень сильно. Тот же алфавит, но другой текст.

76

Karpov S.A. et al.: Obligately phagotrophic aphelids turned out to branch with the earliest-diverging fungi. Protist 2013, 164(2):195–205.

77

Sanchez-Silva R. et al.: A new noncanonical nuclear genetic code: translation of UAA into glutamate. Curr Biol 2003, 13(5):442–7.

78

Wang L. et al.: Expanding the genetic code of Escherichia coli. Science 2001, 292(5516):498–500.

Но что стоит за генетическим кодом? Почему напротив того или иного кодона ставится определенная аминокислота? Аминокислоты доставляются в рибосому молекулами, которые называются транспортными РНК. К одной части транспортной РНК прикреплена аминокислота, а другая ее часть содержит нуклеотиды, комплементарные кодону, который кодирует аминокислоту. Кодоны различаются, поэтому и транспортные РНК бывают разными.

Теоретически мы могли бы поменять одновременно и генетический код, и кодоны в генах, кодирующих белки, причем сделать это таким образом, чтобы все белки остались прежними. Насколько мы можем судить, это не имело бы значительных последствий для организма: генетический код не обязан быть таким, какой он есть. Совершенно разные организмы имеют одинаковый генетический код потому, что все живое произошло от общего предка, у которого генетический код был таким же, как у нас с вами.

Только представьте: в течение нескольких миллиардов лет на нашей планете одноклеточные организмы эволюционировали в многоклеточные формы жизни, которые смогли выйти на сушу, появился и вымер тираннозавр, а вместе с ним масса других гигантских рептилий, возникли приматы, в том числе и предки современного человека. С тех пор успела возникнуть и развалиться Римская империя, мы прошли через темные века Средневековья в эпоху Просвещения, создали двигатель внутреннего сгорания, самолеты, освоили ядерную энергетику, изобрели компьютеры и даже отправили человека на Луну. Все это время происходили колоссальные изменения в геномах живых организмов, но генетический код всех этих организмов оставался неизменным, постоянным, неразрушимым.

Незыблемость генетического кода очень удобна для генных инженеров. Допустим, мы хотим, чтобы бактерия синтезировала какой-нибудь растительный белок. Берем соответствующий ген из растения, переносим в кольцевую молекулу ДНК — плазмиду, а ее внедряем в клетку бактерии. В большинстве случаев бактерия будет производить белок идентичный тому, что производится в растении. Если бы генетический код у растений и бактерий отличался, мы бы получили какой-то другой белок, с другим набором аминокислот и другими свойствами или вовсе полную ерунду. В таких условиях генная инженерия была бы гораздо более трудным занятием.