Знание-сила, 2004 № 06 924)
Шрифт:
Второй код жизни
Продолжаем разговор о новейших и удивительных открытиях в биологии, начатый статьями И. Лалаянца "РНК: о новый дивный мир" (2003, № 5) и Р. Нудельмана "Охотники за генами" (2004, № 2).
Бессмысленно спрашивать, есть ли жизнь на Марсе. Сначала нужно определить, что такое жизнь.
С середины прошлого века главным героем молекулярной биологии стал ген. Поэтому возникает соблазн определить жизнь как
Поначалу основное внимание, естественно, привлек поиск генов, содержащих инструкции по производству белков, как говорят — "белок-кодируюших генов". Однако охотники за генами быстро обнаружили, что, вообще говоря, гены кодируют не только белки. Существуют и такие участки ДНК, которые кодируют молекулы другой нуклеиновой кислоты — РНК, несколько отличающейся от ДНК. С тех пор как в 1950-е годы был разгадан механизм образования белков, стало известно, что в этом процессе принимают участие целых три вида РНК.
Поначалу, пока были известны только эти три основных вида, охота за генами РНК не привлекала особого внимания. Но постепенно накапливались факты, убеждавшие, что таких разновидностей гораздо больше, а главное — РНК не ограничивается только подсобной ролью в процессах создания белка. Об этом рассказывалось в№2 "ЗС" за этот год.
По мере поиска было обнаружено большое количество прежде неизвестных видов РНК — микро-РНК. Они стали обнаруживаться во все новых и новых процессах. Было установлено, что они играют определенную роль в пропускании нужных веществ через поры клеточного ядра, в процессе обеспечения клетки энергией и так далее.
На первых порах это пестрое разнообразие функций, выполняемых разными видами РНК, представлялось некой биологической загадкой. Некоторый свет на эту загадку пролило открытие, сделанное в 1981 году американцами Чехом и Альтманом (они получили за него Нобелевскую премию 1989 года). Эти исследователи обнаружили, что определенные виды РНК обладают каталитической способностью.
Чтобы понять все значение этого открытия, следует припомнить, что до тех пор считалось догмой, что способностью катализировать биохимические реакции обладают только белки- энзимы. Эта догма держалась десятки лет, несмотря на то, что порождала неразрешимый вопрос: как в таком случае могли образоваться первые энзимы? Ведь для производства белков нужно, чтобы уже существовала молекула ДНК, а для образования первой молекулы ДНК из разрозненных нуклеотидов необходимо, чтобы уже существовали белки-катализаторы.
Кто же в таком случае был первым — белки или ДНК, если одни не могли образоваться при отсутствии других? А если не могли, то как тогда вообще возникла жизнь? Открытие каталитических способностей РНК (по аналогии с энзимами такие РНК назвали "рибозимами") впервые позволило разорвать этот порочный круг. Ведь вполне возможно, что первыми в истории жизни на Земле были как раз такие рибозимы. Такие спонтанно возникшие молекулы первых РНК могли на первых порах выполнять как роль ДНК (в качестве хранителей наследственной информации), так и роль белков-энзимов (в качестве катализаторов метаболизма), а впоследствии — дать начало тем первым молекулам ДНК, которые породили первые белки.
Согласно этой гипотезе, "РНК- мира" нашей нынешней жизни, основанной на ДНК и белках, мог предшествовать мир каталитических РНК, в котором все главные функции тогдашней примитивной жизни выполняли различные рибозимы. Такая гипотеза позволяет не только решить вопрос, "кто был первым — белки или ДНК", но и объясняет загадку разнообразия нынешних РНК и их функций.
Нынешнее широкое участие различных РНК в процессах "белковой жизни" может быть рудиментом ушедших в прошлое архаических механизмов пражизни, остатком частично сохранившейся машинерии древнейших времен, когда молекулы РНК были единственными "молекулами жизни" и сами занимались всеми жизненными процессами.
Не прошло и десяти лет, как охотники за генами РНК сделали еще более революционное открытие. Неожиданно даже для самих себя они обнаружили целых два новых, доселе совершенно неизвестных и огромных класса удивительных по свойствам и функциям микроскопически малых РНК (см. статью "Охотники за генами", 2004, № 2). Это новое открытие не только подкрепило гипотезу "архаичного РНК-мира", но и привело к глубокому, радикальному пересмотру прежних представлений о самих генах, их работе и способах управления ею в клетке.
История науки — не та часто воображаемая логическая прямая, что якобы кратчайшим образом соединяет открытие А с открытием Б. Пропасти неудач и непризнаний зачастую пересекают путь восхождения к желанной вершине, и порой лишь мостики "серендипити", как выражаются англичане, а по-русски — просто счастливых случайностей, помогают выбраться на верную тропу.
Такой счастливой случайностью было открытие совершенно нового класса РНК, сделанное в 1990 году группой Йоргенсена из калифорнийского Института растительных ДНК (и независимо от него — Молем). Эти работы послужили началом для поиска и исследования целых нескольких новых классов РНК, которые противостоят воздействию на ДНК чужеродных элементов.
Оказалось, что "интерференционная РНК" (так назвали несколько видов РНК со сходными механизмами действия) предназначена для защиты клеточной ДНК. как иммунная система — для защиты организма. Между этими двумя системами защиты есть много сходного. Подобно иммунной системе, механизм интерференционной РНК тоже включается при появлении "чужого" и направлен на ликвидацию последствий такого вторжения.
Все это означает, что интерференционная РНК представляет собой древний, архаичный способ клеточной защиты. Возникшая позже с появлением многоклеточных организмов обычная иммунная система работаете помощью специальных клеток и белков и встречает "врага" на подходе, до вторжения в клетку и в ее геном. Если же вирусу все же удастся вторгнуться туда, эта система попросту уничтожает зараженную клетку. Напротив, механизм интерференционной РНК работает, как некоторые боксеры, "ближе к корпусу" — он борется с врагом уже внутри ДНК.
Что же это за "мишени", работу которых контролируют микро-РНК? Опыты 2001 — 2003 годов выявили важную особенность: почти все эти гены-мишени так или иначе связаны с различными этапами развития клеток и организма в целом с дифференцировкой его органов и тканей. Например, одна контролирует переход личинки червяка С. эдеганс от первой стадии развития ко второй, а другая — переход личинки от четвертой стадии к взрослому состоянию.
Лет 50 назад считалось, что процессы развития и дифференцировки клеток происходят в результате утраты разными клетками тех или иных порций своих генов. Теперь известно, что эти гены не теряются, а выключаются, — клетки различных органов и тканей содержат разные наборы работающих генов. Раньше существовало незыблемое убеждение, что работу выключения генов производят только белки. Теперь оказалось, что существует и другая система управления — с помощью микро-PHК.