Геном

Ридли Мэтт

В Нью-Йорке в 1943 году шестидесятишестилетний ка­надский ученый Освальд Эйвери (Oswald Avery) завершает грандиозный эксперимент, доказывающий причастность ДНК к наследственности. Проведя серию сложных экспе­риментов, он показал, что бактерию, вызывающую пнев­монию, можно трансформировать из безвредной формы в агрессивную, обработав некоторыми химическими пре­паратами. Эйвери доказал, что передача признака связана исключительно с очищенной ДНК. В научной статье он из­ложил свое открытие в столь осторожной форме, что суть открытия смогли понять лишь немногие, и то значительно позже. Лишь в своем письме брату, написанном в 1943 году, Эйвери позволил себе говорить более открыто: «Если мы правы, что, безусловно, пока еще не доказано, то из этого следует, что нуклеиновая кислота (ДНК) не только струк­турно необходима, но и является функционально активной субстанцией, определяющей биохимическую активность и специфические характеристики клеток. Другими словами,

становится возможным посредством определенной хими­ческой субстанции целенаправленно изменять клетки и де­лать эти изменения наследуемыми. Это именно то, о чем генетики мечтали долгие годы» (Judson Н. Е 1979. The eight day of creation. Jonathan Cape, London).

Эйвери почти удалось раскрыть секрет жизни, но он все еще мыслит категориями химии. «Вся жизнь — это хи­мия», — предположил в 1648 году Ян Баптист ван Гельмонт (Jan Baptista van Helmont). «По крайней мере часть жизни — это химия», — сказал Фридрих Велер (Friedrich Wohler) в 1828 году, когда ему удалось синтезировать мочевину из хлорида аммония и цианида серебра, разрушив тем самым священную стену, разделяющую миры химии и биологии. До этого считалось, что мочевина — это присущее только живой материи вещество, которое невозможно синтезиро­вать из обычных химических соединений. Представление о том, что жизнь — это химия, справедливо, но скучно, как и высказывание по поводу того, что футбол — это физика. Жизнь с некоторой натяжкой можно представить как хи­мию всего трех элементов — водорода, углерода и кисло­рода, на долю которых приходится 98% живой массы. Но биология изучает такие сложные проявления жизни, как наследственность, — вот что их интересует, а не химиче­ский состав. Эйвери не может понять, что такого есть в хи­мической молекуле ДНК, что могло бы объяснить явление наследственности. Ответ будет найден не в области химии.

В английском городе Блечли (Bletchley) в 1943 году засе­креченный великолепный математик Алан Тьюринг (Alan Turing) подошел к величайшему открытию — принципу ра­боты вычислительной техники. Разобравшись в работе не­мецкой военной шифровальной машины Лоренца, Тьюринг создает первый компьютер, названный им Colossus. В осно­ву универсальной вычислительной машины Тьюринга легла изменяемая и сохраняемая программа. Никто не осознал в то время, и даже сам Тьюринг, что он, вероятно, ближе всех подошел к раскрытию секрета жизни. Наследственность — это изменяемая и сохраняемая программа, а метаболизм — универсальная машина. Их связывает между собой код — си­стема абстрактных сообщений, которые могут быть записа­ны не важно в чем — в химических веществах, физических явлениях или даже в нематериальной форме. Основной секрет лежит в самовоспроизведении. Все, что может ис­пользовать ресурсы окружающего мира для копирования себя, — это форма жизни. А наиболее вероятной формой жизни может быть дижиталъное сообщение — число или слово (Hodges А. 1997. Turing. Phoenix, London).

 Термин digital на русский язык переводится как число­вой код или сообщение, что не совсем верно, поскольку в основе кода могут лежать не только цифры, но любые дискретные символы - буквы, знаки, нуклеотиды.

В Нью-Джерси в 1943 году тихий и застенчивый фило­лог Клод Шеннон (Claude Shannon) раздумывает над иде­ей, которая ему пришла в голову в Принстоне (Princeton) несколько лет назад. Идея Шеннона состоит в том, что информация и энтропия являются обратными сторонами одной и той же монеты, и обе имеют тесную связь с энер­гией. Чем меньше энтропии в системе, тем больше в ней скрыто информации. Паровая машина может направить энергию угля в механическое вращение вала только пото­му, что машина имеет большое информационное содержание, переданное ей конструктором. То же самое с человече­ским телом. В голове Шеннона информационная теория Аристотеля соединилась с механикой Ньютона. Так же, как Тьюринг, Шеннон имел лишь базовые представления о био­логии. Но его идеи были гораздо ближе к секрету жизни, чем рассуждения химиков и физиков. Информационное со­держимое системы под названием человеческое тело — это ДНК (Campbell J. 1983. Grammatical man: information, entropy, language and life. Allen Lane, London).

Вначале было Слово, и это слово было не ДНК. ДНК поя­вилась позже, когда произошло разделение труда на биохи­мическую активность и хранение информации: метаболизм и репликацию. Но ДНК сохранила в себе отпечаток первого Слова, бережно пронеся его через все геологические эры до нашего дня.

Представим себе, что мы рассматриваем ядро человече­ской яйцеклетки под микроскопом. Давайте расположим 23 хромосомы генома человека в ряд по размеру от самой боль­шой слева до самой маленькой справа.

Теперь максимально усилим увеличение микроскопа и сосредоточим внимание на самой большой хромосоме, которую мы исключительно ради удобства назовем первой. Все хромосомы имеют длин­ное и короткое плечо, разделенные перетяжкой центроме­ром. На длинном плече хромосомы 1 рядом с центромерой мы увидим многочисленные повторы из 120 букв (А, С, G и Т). Каждый повтор отделен участком случайно подобран­ных букв, за которым начинается новый повтор 120-буквен- ного текста. Всего таких повторов может быть около ста. Скорее всего, эти повторы как раз и являются остатками того самого первого Слова.

Данный повторяющийся «абзац» текста является малень­ким геном и в то же время наиболее активным из всех генов человека. 120 букв текста копируются в небольшую молеку­лу, известную как 5S РНК. Эта молекула объединяется еще с несколькими белками и молекулами РНК, тщательно подо­гнанными друг под друга, в результате чего образуется рибо­сома— машина трансляции генов в белки, в том числе в те белки, которые осуществляют репликацию ДНК. Можно сказать, что белки — это средство копирования генов в но­вые гены, а гены — средство копирования белков в новые белки. Рецепты используются, чтобы приготовить пищу, а пища нужна для написания новых рецептов. Жизнь — это бесконечная череда преобразований двух типов химиче­ских соединений — белков и ДНК.

Белки воплощают в себе такие проявления жизни, как метаболизм, дыхание и поведение, а ДНК — наследствен­ность, репликацию, размножение, пол — все, что биологи называют генотипом. Одно не может существовать без дру­гого. Точно так же, как в примере с яйцом и курицей. Что было первым, ДНК или белок? Вряд ли это была ДНК, по­скольку ДНК совершенно беспомощна, пассивный кусок компьютерной программы, неспособной к катализу хими­ческих реакций. Но это и не белок, поскольку белки — чи­стая химия, неспособная к самовоспроизведению. Так же трудно себе представить, чтобы ДНК могла самопроизволь­но породить белок, или наоборот. Этот вопрос так бы мог и остаться непостижимой загадкой, если бы Слово не остави­ло своего едва заметного следа на нити жизни — молекулы РНК. Как и в случае с яйцом и курицей, мы можем предполо­жить, что яйцо все же было раньше, поскольку динозавры, предки птиц, уже откладывали яйца. Так и в споре междуСк'лкч >м и РНК все больше свидетельств в пользу того, что РНК предшествовала белкам.

РНК — это та химическая субстанция, которая связыва­ет между собой ДНК и белки. Сейчас РНК используется в клетке главным образом как промежуточное сообщение для трансляции кода ДНК в последовательность аминокис­лот в белке. Но все меньше остается сомнений, что именно РНК была предшественницей обоих — белка и ДНК.

Слово было РНК. Существует пять свидетельств того, что РНК появилась раньше белков и ДНК.

1. Даже теперь химические ингредиенты молекулы ДНК получаются путем модификации ингредиентов моле­кулы РНК. Например, буква Т (тимин), относящаяся к ДНК, синтезируется из буквы U (урацила) — принад­лежащей РНК.

2. Многие ферменты для активации требуют присут­ствия небольших молекул РНК.

3. Кроме того, РНК в отличие от ДНК и белков способна к самокопированию без чьего-либо участия. Добавьте только в среду необходимые ингредиенты, и процесс пойдет.

4. Если внимательно рассмотреть биохимическую ак­тивность клетки, то окажется, что все основополага­ющие и реликтовые процессы происходят с участием РНК. Это РНК-зависимые ферменты считывают ин­формацию с ДНК, преобразуя ее в информационную РНК. Именно из РНК построены рибосомы, выпол­няющие трансляцию генетического кода в белок, при этом именно молекулы транспортных РНК вылавли­вают в цитоплазме аминокислоты и подносят их к ме­сту сборки.

5. И наконец, РНК в отличие от ДНК выступает в каче­стве катализатора химических процессов, разрушаю щих или синтезирующих другие химические соедине­ния, в том числе и саму РНК. РНК может вызывать собственное разрезание с последующим сшиванием

свободных концов, а также катализировать удлине­ние собственной цепи.

Открытие этих примечательных свойств РНК, сделан­ное Томасом Чеком (Thomas Cech) и Сидни Олтменом (Sidney Altman), изменило наше представление об истоках жизни. Теперь наиболее вероятным кажется то, что самым первым геном была молекула РНК, объединяющая в себе свойства репликации и катализа, — Слово, потребляющее вещества из окружающей среды для копирования самого себя. Возможно, если синтезировать случайным образом молекулы РНК прямо в пробирке, можно получить соеди­нение, которое по своим химическим свойствам будет со­ответствовать первоисточнику жизни. Примечательно, что молекулы РНК, отобранные в подобных эксперимен­тах, всегда были весьма похожи по своему содержанию на текст гена 5S РНК, который находится вблизи центромеры хромосомы 1.