Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир: читать начало книги онлайн

РНК комплементарна матричной цепи ДНК и, следовательно, идентична ее партнерше, кодирующей цепи, за исключением урацилов, занявших в РНК места всех тиминов. Например, кодирующая цепь ДНК ATЦГTT, которой соответствует зеркально отраженная матричная цепь TAГЦAA, будет транскрибирована в РНК-последовательность AУЦГУУ. Другая клеточная машина, рибосома, транслирует РНК в белок. Рибосома движется вдоль РНК[22], взаимодействуя с каждым триплетом (кодоном) и прикрепляя соответствующую аминокислоту к растущему белку (см. рисунок). Например, РНК-триплет УГГ кодирует триптофан, а последовательности ЦГУ и ЦГЦ – аргинин. Некоторые триплеты (УАГ, УГA, УAA) кодируют команду «стоп», которая сообщает рибосоме, что нужно прервать синтез белка и отсоединиться от РНК. Триплет AУГ, напротив, значит «старт».

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 × 400 × 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, бо́льшая 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).

Ваши клетки умещают метр ДНК в пространство, которое занимает одну тысячную одной тысячной этой длины. Не удивительно ли это? Такой вопрос, возможно, кажется вам глупым – само собой, удивительно. Однако я могу смотать 50 метров пряжи в клубок диаметром несколько сантиметров, и это никого не удивит. Здесь все упирается в механику – в жесткость ДНК: на что она похожа больше – на пряжу или на сталь? (Надеюсь, вы удивились бы, смотай я 50 метров оплетенного стального кабеля в клубок диаметром несколько сантиметров, даже если бы кабель был не толще нитки.)

Оценка жесткости материалов – отдельная тема, грозящая погрузить нас в глубины материаловедения и отвлечь от биофизики. К счастью, существует концептуально простая модель жесткости полимеров – длинных молекул-цепочек, – которая позволяет нам судить о размере генома. Представьте три отдельные нити разной жесткости, одинаковые по длине при распрямлении, но в свободном состоянии склонные сворачиваться в аморфные клубки.

Интуитивно мы понимаем, что самая расправленная нить, состоящая из протяженных участков плавных изгибов, будет наиболее жесткой (на рисунке она левая). А нить, скрученная туже остальных (правая), скорее всего, окажется самой мягкой.

Давайте оценим протяженность, на которой молекула кажется прямой, – иными словами, то типичное расстояние, которое нам нужно пройти по нити, прежде чем окажемся лицом в другую сторону. Это расстояние тем больше, чем жестче молекула. Представьте, что муравей бежит по сухой макаронине: направление его движения со временем особо не меняется. Для такой макаронины типичная длина прямолинейного участка очень велика. Теперь представьте вареную макаронину, брошенную на стол. Муравей бежит по ней, часто петляя и поворачивая, а следовательно, длина прямых участков в этом случае, вероятно, не превысит и пары сантиметров.

Теперь мысленно разобьем естественно извитую молекулу на прямолинейные участки, длина каждого из которых соответствует типичной протяженности прямых в этой молекуле, и соединим их узлами, случайно задающими направление соседних отрезков (см. рисунок).

У нас получилось то, что физики и математики называют случайным блужданием. Представьте человека, который делает шаги в совершенно случайном направлении: один – на север, другой – на юго-запад, следующий – на северо-запад и так далее. Казалось бы, пытаться предугадать, где случайно блуждающий человек окажется после нескольких шагов, – совершенно пустая затея, ведь направление каждого шага случайно. Спрогнозировать движение отдельного блуждающего действительно невозможно. Но если представить множество случайных блужданий или понаблюдать за множеством случайно блуждающих, средний результат будет вполне определенным: после 25 шагов случайно блуждающий человек окажется в среднем в 5 шагах от исходной точки; после 49 шагов – в 7 шагах; после 100 – в 10; а после N шагов – в числе шагов, равном квадратному корню из N. (Это справедливо как для более привычного людям блуждания в двух измерениях, так и для блуждания в трех измерениях – например, если не шагать, а плавать.)

Случайные блуждания возникают в бесчисленном множестве ситуаций. Экономисты видят их в стремительных взлетах и падениях фондовых рынков. По типу случайных блужданий часто моделируют траектории плавающих бактерий и пути распространения случайных мутаций в популяции. Подобных примеров мы находим все больше и больше. Эти траектории – классический сюжет в обсуждении прогнозируемой случайности, поскольку надежные усредненные характеристики здесь сосуществуют с волей слепого случая. Кроме того, случайные блуждания, которым свойственна странная зависимость пройденного расстояния от количества шагов, позволяют нам познакомиться с масштабированием. Как мы узнаем во второй части книги, физические характеристики не обязательно увеличиваются пропорционально размеру: подобно упомянутому квадратному корню, между ними часто возникают неожиданные зависимости.

Если рассматривать конформацию ДНК абстрактно, в виде случайного блуждания, наш вопрос о жесткости молекулы преобразуется в вопросы о длине «шага» и количестве «шагов». На визуализациях двойная спираль ДНК кажется прямой на отрезке длиной около 100 нанометров (это десятая часть миллионной доли метра). Иными словами, если схематично изобразить молекулу ДНК с помощью отрезков и спросить, какой длины они должны быть, ответом будет 100 нанометров. (В науке прямые участки полимеров, характеризующие гибкость цепи, называются сегментами Куна в честь швейцарского химика Вернера Куна, и их длину можно рассчитывать по математическим формулам.) Для понимания масштаба отмечу, что ширина (диаметр) двойной спирали составляет примерно 2 нанометра, а длина участка, на котором лесенка ДНК совершает полный оборот (длина витка), слегка превышает 3 нанометра, то есть для такой изящной спирали сегмент Куна у ДНК довольно велик.

Итак, мы можем представить 1 метр ДНК в виде 10 миллионов прямых «шагов». Получается, чтобы ответить на вопрос, насколько же большим будет этот метр ДНК, отпущенный в свободное плавание в клеточной среде, нам нужно понять, какое расстояние покроет случайное блуждание из 10 миллионов шагов по 100 нанометров каждый. Простое вычисление даст ответ: около 0,3 миллиметра, или 300 микрометров. (Это квадратный корень из 10 миллионов, или примерно 3000 шагов, умноженные на длину шага в 100 нанометров.) Полученное число гораздо больше, чем диаметр ядра, не превышающий нескольких микрометров, и даже больше, чем диаметр типичной клетки человека, составляющий от 10 до 100 микрометров.

Здесь вы могли бы возразить, что ваш геном – это не единая неразрывная нить, а массив ДНК, разбитый на 23 хромосомы. (Почти все ваши клетки содержат 46 попарно сгруппированных фрагментов каждой из двух копий вашего генома. Есть и исключения: в яйцеклетках и сперматозоидах хранится лишь одна копия, а в эритроцитах млекопитающих и вовсе нет ДНК.) Конечно, фрагментация упрощает задачу пространственной упаковки ДНК, но не настолько: 1-я хромосома человека, крупнейшая из всех, состоит из 249 миллионов п. н., что соответствует длине примерно 8,5 сантиметра и размеру пятна случайного блуждания (по сути, клубка) около 90 микрометров – а это по-прежнему гораздо больше клеточного ядра. Чтобы было легче сопоставить размеры, я изобразил типичную человеческую клетку с ядром внутри и произвольные клубки ДНК метровой и 8,5-сантиметровой (как в 1-й хромосоме) длины.

Вообще-то упаковка ДНК должна нас восхищать – но не из-за длины человеческого генома, а из-за жесткости, делающей ДНК неподатливой для заточения в клетку. Пространство, в которое должна упаковываться молекула, гораздо, гораздо меньше того пространства, которое она заняла бы, плавая свободно в водном мире.

ДНК внутри ядер наших клеток не предоставлена самой себе, как макаронина или случайный блуждающий, и не утрамбована, как одежда в наскоро собранном чемодане, а изящно и компактно упакована. Значительная часть нашей ДНК намотана на маленькие катушки диаметром около 10 нанометров, состоящие из белков гистонов.

Но 10 нанометров – это существенно меньше, чем сегмент Куна у ДНК, поэтому для наматывания ДНК на катушки прикладывается большая сила, порождаемая главным образом электрическим притяжением между отрицательно заряженной ДНК и положительно заряженной внешней поверхностью гистонов. Расположение положительно заряженных аминокислот соответствует периодичности бороздок двойной спирали, что предельно увеличивает электрические силы. И снова мы наблюдаем самосборку в действии: физические характеристики ДНК и гистонов, особенно их заряд и форма, позволяют им выстраивать четко определенную рабочую структуру. На каждой катушке намотаны около 150 п. н. почти в два витка, длина ДНК между катушками колеблется от 20 до 90 п. н., и за всей этой конструкцией закрепилось выразительное название «бусины на нитке»⁸.

[22] Разновидность РНК, которая служит шаблоном для синтеза белка, называется матричной или информационной: мРНК или иРНК.

[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.