Роберт Сапольски - Биология добра и зла. Как наука объясняет наши поступки

Полная последовательность нуклеотидов, кодирующая определенный белок, называется «ген». Совокупная ДНК организма называется «геном», в геноме содержатся десятки тысяч генов организма. Секвенировать геном означает определить уникальную последовательность миллиардов нуклеотидов, слагающих геном организма. И эта цепочка нуклеотидов настолько гигантская (у человека около 20 000 генов), что ее приходится разбивать на несколько томов, называемых хромосомами.

Отсюда рождается проблема размещения. Библиотека ДНК располагается в центре клетки, в ядре. А белки находятся повсюду в клетке и синтезируются тоже повсюду в клетке (кстати, подумайте о белках в аксонных окончаниях нейронов спинного мозга синего кита, ведь им до ядра нейрона сотни световых лет). И как же доставить информацию из ядра к месту сборки белка? Для этого есть посредник, который довершает картину. Это РНК, близкая к ДНК молекула, которая теми же нуклеотидными буквами копирует нуклеотидную последовательность гена. Любая хромосома содержит невероятно длинную цепочку ДНК, кодирующую ген за геном. А в цепочке РНК, напротив, закодирован один-единственный ген. Иными словами, РНК имеет более практичную длину. И эта РНК может отправляться к месту назначения в клетке, где она распорядится, в каком порядке прицеплять друг к дружке аминокислоты (а аминокислоты в изобилии имеются повсюду в клетке, вдруг понадобятся для какого-нибудь белкового проекта). РНК можно представлять себе как ксерокопии одной страницы гигантской двадцатитысячестраничной энциклопедии ДНК. (В свою очередь, на основе единственной страницы РНК-инструкции можно построить множество копий белка. Это, безусловно, облегчает задачу синтеза одного и того же белка в любом из аксонных окончаний.)

В этой схеме заключена т. н. центральная догма молекулярной биологии, которую в начале 1960-х гг. сформулировал Фрэнсис Крик, второй участник знаменитой пары Уотсон и Крик, открывшей структуру двойной спирали ДНК (к ним должна быть причислена и Розалинд Франклин, но это уже другая история). Центральная догма Крика утверждает, что нуклеотидная последовательность ДНК, составляющая ген, предопределяет уникальную последовательность РНК, а она, в свою очередь, однозначно определяет последовательность аминокислот, а та, в свою очередь, жестко задает форму/формы белка, а от нее, в свою очередь, зависит функция этого белка [553]. В этой концепции негласным образом подразумевается еще одно важнейшее утверждение: каждый ген кодирует один белок.

Чтобы не создавать лишних сложностей, я дальше не буду упоминать РНК, потому что нам сейчас интересны гены, стартовая точка синтеза. Как гены соотносятся с белками и, соответственно, с их функциями?

Гены наследуются от родителей (по половине генов от каждого, хотя это и не совсем правда, как сказано в основном тексте). Предположим, что в яйцеклетку или сперматозоид отправилась ДНК, в которую при копировании вкралась ошибка, и один нуклеотид поменялся. С учетом того что копируются миллиарды нуклеотидов, подобное время от времени происходит. Если такую ошибку не исправить, то ген потомка будет отличаться от исходного родительского на один нуклеотид. Это и есть мутация.

В классической генетике различают три типа мутаций. Первый тип – это точечные мутации, при которых один нуклеотид копируется неверно. Изменит ли эта ошибка аминокислотную последовательность белка? Зависит от обстоятельств. Вернемся на несколько абзацев назад, к избыточности кода ДНК. Пусть есть кодон аланина ГЦТ в каком-то гене. Произошла мутация в этом кодоне, и он стал теперь ГЦА. Ничего страшного, этот кодон тоже обозначает аланин. Эта мутация без последствий, нейтральная. А если замена другая, например ГАТ? Новый триплет кодирует совсем другую аминокислоту – аспарагин. Ой-ой-ой!

В действительности это, может быть, и небольшая беда, потому что новая аминокислота выглядит примерно как прежняя. Давайте попробуем представить аминокислотную цепочку, закодированную нуклеотидной последовательностью «затем/я/делаю/это».

Произошла мутация, одна аминокислота сменилась на другую, но без особых последствий: «затем/я/делаю/эта». Большинство поймет, о чем речь; подумают, вероятно, что говорящий прибыл откуда-то издалека. А в переводе на белковый язык получится, что белок примет чуточку другую форму и будет выполнять свою функцию чуточку по-другому (может, немножко медленнее, а может, и быстрее). Но это не конец света.

А если из-за мутации вставилась новая аминокислота и новый белок оказался совершенно другой формы? Последствия могут быть ужасны и даже смертельны.

Теперь вместо «затем/я/делаю/это» имеем «зачем/я/делаю/это». Уже проблема.

Следующий тип классических мутаций – делеции. Сценарий прежний – при копировании ДНК получается ошибка. Но вместо подстановки неправильного нуклеотида теперь он просто пропущен. Так, если в нашем примере «затем/я/делаю/это» пропущен пятый нуклеотид, то получается «затея/д/елаюэ/то». При сдвиге рамки считывания на один нуклеотид получается полная ерунда или даже совсем другое сообщение («я на третье съем торт» превращается в «я на треть съем торт»).

При делециях могут отбрасываться сразу несколько нуклеотидов. В крайних случаях выбрасывается весь ген целиком или цепочка генов на хромосоме. И это определенно нехорошо.

И наконец, имеются мутации вставки, или инсерции. Во время копирования ДНК для отправки в сперматозоиды или яйцеклетки нуклеотиды могут копироваться дважды, дуплицироваться. Тогда вместо «затем/я/делаю/это» получится: «затте/м/ядела/юэт». Полнейшая чепуха. А может, как и в прошлом примере, получиться совсем другое сообщение: из «учитель велел не опаздывать», добавив букву, получим «учитель велел мне опаздывать». В некоторых случаях вставляется больше одного нуклеотида. В самых крайних случаях получается дупликация целого гена.

Так что, говоря о мутациях, обычно имеют в виду точечные мутации, делеции или инсерции [554]. Делеции и инсерции чаще всего приводят к серьезным последствиям, обычно они вредны для организма, но иногда этот путь ведет к созданию нового интересного белка.

Вернемся к точечным мутациям. Представим, что в результате одной из них заменилась одна аминокислота и получился белок, работающий немножечко иначе, чем с правильной аминокислотой. Как уже говорилось, белок по-прежнему выполняет свою работу, но только чуточку быстрее или медленнее. И эта чуточка, это зернышко попадает в мельницу естественного отбора – если новая версия похуже исходной, снижает репродуктивный успех ее носителя, то отбор постепенно избавится от нее, вычистив из популяции. Если же, напротив, новая версия дает репродуктивное преимущество, то она заместит все исходные варианты в популяции. А если новая версия дает адаптивные преимущества лишь в некоторых условиях, в других же усложняет жизнь, то оба варианта – и старый, и новый – продолжат сосуществовать в популяции, достигнув определенного равновесного соотношения. Часть людей останется со старым белком, а у части будет работать новый. Про данную ситуацию говорят, что ген присутствует в двух формах или – что то же самое – имеет два «аллельных варианта», или «аллеля». У большинства генов имеются по нескольку аллелей. И в результате складывается индивидуальный набор функциональных генов (об этом подробно рассказывается в главе 8).