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

Далее эти бусы укладываются в петли и компактизируются дополнительно. Ученые долгое время пытались вычислить их конечную форму, основываясь на данных экспериментов, в которых, как правило, извлекали ДНК из клеток либо консервировали клетки с помощью фиксаторов. Самая популярная версия предполагала, что ДНК-белковые бусы формируют волокна толщиной 30 нанометров, а затем эти волокна собираются в тяжи диаметром от 120 нанометров. Но недавно ученые под руководством Клоды О'Ши из Института Солка при Калифорнийском университете в Сан-Диего разработали метод маркировки ДНК без повреждения ядер, который позволяет метить ДНК атомами металла, легко различимыми под электронным микроскопом⁹. Этот метод выявил вместо ожидаемых волокон преимущественно свободные цепочки диаметром от 5 до 24 нанометров. Более того, цепочки оказались в разной степени закрученными либо прямыми в зависимости от того, делились клетки или нет. Возможно, упаковка ДНК менее однородна и более динамична, чем считалось ранее.

Виртуозное сворачивание ДНК внутри клеток – больше чем простое интеллектуальное упражнение. Экспрессия генов – транскрипция того или иного участка ДНК в РНК с возможной трансляцией в белки – сильно зависит от упаковки и организации ДНК. Области ДНК, намотанные на гистоновые катушки либо уплотненные как-то иначе, относительно недоступны для механизмов декодирования генетический информации. Один и тот же ген может быть «включен» или «выключен» в зависимости от сложности его обнаружения. Иными словами, упаковка ДНК влияет на ее функции, и физическая организация этой молекулы служит мощным инструментом регулирования деятельности клетки. Широчайший спектр заболеваний – от нарушений нервно-психического развития и редких аутоиммунных болезней до расщепления нёба – обусловлен некорректной упаковкой ДНК¹⁰, а вовсе не изъянами в генах, кодирующих важные для нервной системы, иммунитета или скелета белки. Часто подобные нарушения связаны с дефектами белков, которые модифицируют гистоны[24], повышая или понижая их аффинность друг к другу или к ДНК – например, за счет изменения заряда.

В последние два десятилетия ученые выяснили, что факторы, определяющие, какие области генома наматываются на гистоны, заложены в самой последовательности ДНК и отчасти обусловлены механическими свойствами двойной спирали¹¹. Как мы знаем, длина относительно прямых сегментов ДНК составляет около 100 нанометров. Показатель жесткости в некоторой степени зависит от последовательности нуклеотидов, то есть «букв» A, Ц, Г, T. Одни группы нуклеотидов обладают меньшей жесткостью, чем другие, или в силу своей формы склоняют цепь к легкому изгибу. В той ДНК, которая в итоге оказывается в составе нуклеосом[25], эти более изогнутые или гибкие области, как маленькие шарниры, обычно располагаются через 10 нуклеотидов друг от друга. Длина витка двойной спирали тоже составляет 10 нуклеотидов: поднимись вы по винтовой лестнице ДНК на 10 ступенек, окажетесь лицом в ту же сторону, что и в исходной точке. Это значит, что все шарниры ориентированы в одном направлении и каждый фрагмент ДНК загибается к гистонной катушке. Анализ связывания ДНК с гистонами показывает, что последовательности без таких повторяющихся нуклеотидных пар реже оказываются намотанными. Таким образом, сама нуклеотидная последовательность кодирует механическую информацию о том, как именно она должна быть упакована. ДНК – молекула поистине экстраординарная, искусно совмещающая кодирование и механической, и биохимической, и генетической информации!

Архитектура нуклеосом и волокон ДНК вводит нас в обширную тему регуляторных схем, с помощью которых клетки контролируют свою активность, включая и выключая гены. В четвертой главе мы познакомимся с другими стратегиями принятия решений, реализуемыми по более быстрым и сложным схемам.

Задачу по ужатию ДНК в ограниченном пространстве решают не только ваши клетки. Ни один из живых организмов не позволяет ДНК свободно укладываться в виде случайно блуждающей цепи. Это актуально даже для не совсем живой природы: плотнее всего ДНК упакована в вирусах, маленьких капсулах генетического материала, которые заражают живые клетки и завладевают их механизмами репликации. Не все вирусы содержат двухнитевую ДНК, у некоторых геном представлен однонитевой ДНК либо даже одно– или двухнитевой РНК. Обладатели двухнитевой ДНК, к которым относятся вирусы герпеса и оспы, вынуждены упаковывать эту жесткую молекулу в белковую оболочку (капсид) диаметром всего несколько десятков нанометров, что опять же меньше сегмента Куна для двойной спирали ДНК. (Двухнитевая РНК даже жестче двухнитевой ДНК, а вот одиночные нити что ДНК, что РНК куда более гибкие.)

У вируса с двухцепочечной ДНК изогнутый, стиснутый полимер давит на капсид, пытаясь расправиться. Когда капсид открывается – например, в момент заражения клетки, – это внутреннее давление помогает протолкнуть ДНК в клетку-мишень. Можно ли измерить давление сжатой ДНК? Представьте, как закрытый капсид открывается и ДНК вырывается наружу. Теперь представьте, как капсид сжимается со всех сторон под внешним давлением и затем открывается. Если наружное давление меньше внутреннего, ДНК все равно выйдет наружу. Если же наружное давление больше, ДНК останется внутри. Изменяя внешнее давление и наблюдая, выходит ли при этом ДНК, можно определить давление внутри вирусной частицы (вириона).

Представить описанное несложно, однако на практике не обойтись без хитроумных трюков, один из которых около 15 лет назад применила команда Уильяма Гелбарта из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Естественное открытие капсида запускается, когда вирус встречается с особыми белками на поверхности клетки-мишени. Добавляя эти белки в пробирку с вирусными частицами, открывать капсиды можно «по требованию». Вирионы рассеяны в водном растворе. При добавлении в раствор крупных молекул растет осмотическое давление: это несколько напоминает бомбардировку вируса всеми молекулами, плавающими вокруг него, и действует на него, как то гипотетическое сжатие капсидов. Изменяя осмотическое давление и открывая капсиды с помощью белков, ученые зафиксировали внутри вирусов давление в десятки атмосфер12. (Для сравнения: давление воздуха в автомобильной шине составляет около двух атмосфер.) Чтобы лучше прочувствовать масштаб механического подвига вирусов, биофизик Роб Филлипс советует представить, как почти 500 метров стального троса с моста Золотые Ворота заталкивают в кузов фургона FedEx. Такое гигантское внутреннее давление полезно для вируса тем, что помогает ему внедрять ДНК в клетки-мишени, где она реплицируется и запустит производство новых вирусов.

Невозможно постичь ДНК, не разобравшись в ее физических характеристиках. Форма, структура и механика неразрывно связаны с биологической функцией. Это утверждение верно не только для ДНК, но и для всех биомолекул в природе – биофизика постоянно имеет дело с такими зависимостями. В следующей главе мы вернемся к вопросу о том, как удивительно малое число генов может управлять процессами, которые делают вас вами, и узнаем, как гены включаются и выключаются – под действием внешних факторов или других генов, – создавая сеть взаимодействий, опять же неотделимую от осязаемых, физических проявлений молекул жизни.

Глава 4. Хореография генов

В третьей главе мы сформулировали основную загадку наследственной информации: как какие-то 20 тысяч генов кодируют вас во всей вашей сложности? Как всего 20 тысяч белков – 20 тысяч инструментов или 20 тысяч компонентов – выполняют головокружительное количество задач, решаемых вами: от роста и дыхания до чтения и воспроизводства? Разумеется, это антропоцентричная формулировка вопросов, и точно так же мы могли бы спросить, как это 20 тысяч генов делают лошадь лошадью, а 30 тысяч создают дафнию.

Мы далеки от исчерпывающего ответа на любой из этих вопросов, и ученым будет чем заняться еще десятки, если не сотни лет. Однако мы открыли любопытные общие принципы и закономерности кодирования жизни во всей ее сложности и даже начали применять их для конструирования организмов неслыханными способами. В предыдущей главе мы рассматривали гены в относительной статике – упакованными в пространство клетки и потенциально способными руководить сборкой белков. Теперь мы вводим фактор времени – стимуляцию и подавление преобразования генетической информации в физическую активность в зависимости от нужд динамичных живых существ. Этой хореографией генов в значительной степени управляют сами гены. Прежде мы рассматривали самосборку в вещественном, структурном смысле. Здесь мы встретимся с более абстрактным ее проявлением, в рамках которого молекулярные функции вплетаются в регуляторные сети, превращающие любой организм в биологический компьютер. Чтобы понять все это, начнем с рассмотрения включения и выключения генов.

И клетка, и целый организм могут контролировать, когда и нужно ли вообще активировать любой из их генов – иными словами, стоит ли в тот или иной момент переводить его последовательность A, Ц, Г и T в последовательность нуклеотидов РНК, а затем в белок. Механизмы контроля подвергаются влиянию условий среды, в которой пребывает клетка или организм, и могут отвечать активацией или инактивацией соответствующих генов. Даже не понимая пока деталей регуляции, вы можете догадываться, что избирательность здесь просто необходима, ведь ваше тело состоит из очень разных клеток, обладающих одинаковыми копиями ДНК. Геномы нейронов, клеток кожи и, скажем, секреторных клеток выстилки вашего кишечника идентичны. Но эти клетки выглядят по-разному, выполняют разные функции и производят разные наборы белков. Гены белков, участвующих в выработке слизи, не должны работать в нейронах; гены белков, прочно скрепляющих соседние клетки, должны быть активны в коже; секреторные клетки должны игнорировать гены, отвечающие за отправку электрических сигналов на большие расстояния. Следовательно, нам необходимы механизмы избирательного «включения» и «выключения» генов. Давайте узнаем, как реализуется такой контроль.

Вспомним, как происходит транскрипция. Фермент РНК-полимераза движется по ДНК, как поезд по рельсам, и копирует нуклеотидную последовательность гена с ее начала до стоп-сигнала, формируя нить РНК. Но РНК-полимераза не привязана к ДНК. Значительную времени она плавает в жидкой среде поблизости и прицепляется к ДНК, только если случайно натыкается на специфическое сочетание нуклеотидов. Как мы узнали из третьей главы, такие сочетания – промоторы – примыкают к генам или группам генов. ДНК обладает полярностью, и РНК-полимераза, считывающая одну из нитей двойной спирали ДНК, движется в заданном направлении. Ген (его кодирующая часть) расположен ниже своего промотора по ходу транскрипции, и полимераза, «севшая» на промоторную последовательность, в итоге транскрибирует примыкающие к ней гены. Управление посадкой РНК-полимеразы обеспечивает регуляцию транскрипции генов – один из самых действенных способов контролировать их активность.

Раньше всего мы изучили механизмы регуляции транскрипции у бактерий. Представьте, что вы бактерия. Вам нравится питаться сахарами, но для этого нужны расщепляющие сахар белки. Вы предпочли бы вырабатывать больше таких белков, только когда встречаете сахар, и не расходовать энергию впустую, когда сахара рядом нет. Как этого добиться? В качестве примера рассмотрим реальный сахар, лактозу, и регуляторный механизм бактерии Escherichia coli, довольно типичный для живой природы[26].

Ген lacZ (см. рисунок) кодирует часть механизма усвоения лактозы. Выше по ходу транскрипции от него (грубо говоря, перед ним), как всегда, находится его промотор. РНК-полимераза, которую я изобразил в виде серой фигуры, вот-вот продвинется вперед и считает ген lacZ.

(Рисунок выполнен без соблюдения масштаба; в реальности ген lacZ состоит примерно из 3 тысяч п. н., а РНК-полимераза покрывает лишь 30–40.) E. coli производит белок, называемый lac-репрессором, который связывается с оператором – другим участком ДНК выше по ходу транскрипции от lacZ. Когда lac-репрессор (темная фигура) связан с ДНК, РНК-полимераза не может нормально прикрепиться к ДНК1 и ген lacZ не экспрессируется.

Как мы знаем, ДНК и белки – это физические тела со специфической структурой, которая определяет характер их работы. Lac-репрессор связывается с ДНК поразительно хитроумным способом. Расстояние между последовательностями нуклеотидов, которые он распознает, превышает его собственную ширину. Следовательно, репрессор должен сворачивать ДНК в тугое кольцо диаметром около 10 нанометров2.

Мы помним, однако, что ДНК – молекула жесткая. Если дать ей свободу, она останется относительно прямой на 100-нанометровых отрезках. Подобно цирковому силачу, гнущему железный прут, lac-репрессор изгибает ДНК. Свернутая в петлю ДНК мешает РНК-полимеразе считывать гены белков, которые участвуют в расщеплении лактозы3.

У lac-репрессора есть еще одно удивительное свойство: он может связываться с молекулярным двойником лактозы, аллолактозой (черный кружок на следующем рисунке), из-за чего слегка меняет форму и теряет способность удерживаться на операторе. Набредая на лактозу в среде, бактерия поглощает какое-то ее количество и преобразует в аллолактозу, lac-репрессор перестает работать, и синтезируются расщепляющие лактозу белки – теперь бактерия может насытиться находкой.

Регуляторы, подобные lac-репрессору, характерны для всех организмов, не только для бактерий. Мешать РНК-полимеразе должным образом взаимодействовать с ДНК или хотя бы конкурентной борьбой снижать вероятность такого взаимодействия – одна из излюбленных природой тактик регуляции активности генов. Подавление экспрессии может быть сопряжено с внешними стимулами, как в случае с lac-репрессором, либо с внутренними, как мы увидим далее.

В регуляторном арсенале клетки припасены и противоположно действующие инструменты – активирующие экспрессию. Особенно часто они работают в районе промоторов, с которыми РНК-полимераза связывается слабо. Белки-активаторы, имеющие сродство с полимеразой, распознают и занимают прилегающие к промотору участки ДНК, повышая шансы РНК-полимеразы удержаться и начать транскрипцию.

Активаторам нашлось место и в истории с лактозой. Бактерии вроде E. coli действительно любят лактозу, но еще больше они любят другой сахар, глюкозу. Будь у бактерий глюкоза, они ни за что не стали бы тратить силы на расщепление даже доступной лактозы. Этот феномен в 1940-х открыл Жак Моно4, который во время Второй мировой войны совмещал исследования в области фундаментальной биологии с участием во французском Сопротивлении. Бактерия должна экспрессировать гены расщепления лактозы, только если в среде есть лактоза и нет глюкозы. Задачу регулятора здесь выполняет белок, активирующий катаболизм (CAP; г-образная фигура на рисунке). Связь РНК-полимеразы с lac-промотором слаба, поэтому даже без lac-репрессора транскрипция генов катаболизма лактозы маловероятна. Бактерия производит белок-активатор, который садится на ДНК, только если связан с молекулой под названием циклический аденозинмонофосфат, или цАМФ. Эту молекулу бактерии производят лишь при низком уровне глюкозы, и ее даже называют «сигналом голода». Следовательно, в присутствии глюкозы цАМФ мало, активатор не связывается с ДНК, и гены расщепления лактозы не экспрессируются, даже если она доступна. Когда глюкозы нет, цАМФ много, активатор связывается с ДНК и гены экспрессируются – при условии, что полимераза не блокируется lac-репрессором. Это очень хитроумная система, особенно для безмозглого существа размером в тысячную долю миллиметра.

Репрессоры и активаторы в совокупности называют факторами транскрипции, поскольку они управляют транскрипцией генетической информации. Факторы транскрипции представляют собой белки, а значит, сами кодируются генами. В нашем геноме таких генов очень много – точное число неизвестно, но считается, что их не меньше 16005. И это при том, что у нас всего около 20 тысяч белок-кодирующих генов. Иными словами, существенная часть наших генетических инструкций приходится на тормозящие и инициирующие механизмы считывания самих инструкций.

[24] И расщелину нёба, и нарушения нервно-психического развития в рамках синдрома Х-сцепленной умственной отсталости (по типу Сидериуса) вызывают, в частности, мутации гена PHF8. Этот ген кодирует белок, который удаляет метильные группы с лизина, входящего в состав гистонов.

[25] В грубом приближении вещество хромосом, хроматин, состоит из череды нуклеосом – ДНК, намотанной на бусины/катушки из восьми молекул коровых гистонов. Свободная ДНК между нуклеосомами, линкерная, на входе в нуклеосому и выходе из нее связана с отдельным линкерным гистоном. Комплекс нуклеосомы с линкерным гистоном называется хроматосомой.

[26] Автор рассматривает в сокращенном виде прокариотический лактозный оперон из трех структурных генов: lacZ, lacY, lacA. У эукариот регуляция метаболических путей схожа по сути, однако реже базируется на оперонной организации – когда несколько генов, кодирующих функционально связанные белки, стоят друг за другом под общим промотором и считываются вместе, единой РНК, подчиняясь общим регуляторным сигналам.