Сергей Ястребов - От атомов к древу. Введение в современную науку о жизни

Но универсальность АТФ имеет и свои минусы. Дело в том, что из-за особой важности этого вещества его концентрация (а точнее, соотношение концентраций [АТФ]/[АМФ]) очень жестко контролируется внутриклеточными регуляторными системами. В многоклеточном организме слишком резкое отклонение этого параметра от нормы может вызвать даже «самоубийство» целой клетки, так называемый апоптоз. На ГТФ этот контроль не распространяется, поэтому менять его концентрацию можно гораздо свободнее. Возможно, смысл «подключения» транскрипции и трансляции к ГТФ состоит как раз в том, чтобы сделать эти жизненно важные процессы автономными, снизив их зависимость от всего остального происходящего в клетке.

Открытие механизма трансляции тут же дало ученым превосходный ключ к расшифровке генетического кода. Например, что будет, если синтезировать искусственную иРНК, в которую из всех азотистых оснований входит только урацил, и поместить ее в обычный водный раствор, предварительно добавив туда рибосомы, полный набор аминоацил-тРНК и источники энергии? Оказалось, что в этом случае прямо в пробирке, без всякого участия живых клеток, может синтезироваться белок, состоящий из одной-единственной аминокислоты, а именно из фенилаланина. Этот эксперимент был реально поставлен в 1960 году, и в результате его был расшифрован первый кодон — УУУ. Это кодон фенилаланина [68] Вот описание этого опыта, которое в данном случае будет лучше любого пересказа своими словами: «В экспериментах с бесклеточной системой Маршалл Ниренберг и Генрих Маттэи, исследовавшие активность различных препаратов РНК в роли матриц для белкового синтеза, в качестве контроля использовали синтетическую полиуридиловую кислоту (poly U), рассчитывая, что она не будет проявлять существенной матричной активности. К своему большому удивлению, они обнаружили, что poly U достаточно эффективно направляет синтез полифенилаланина. Более того, полифенилаланин оказался единственным полипептидом, синтезируемым в присутствии poly U. Из этих наблюдений непосредственно вытекало, что триплет UUU служит кодоном для фенилаланина. Вскоре аналогичным образом было установлено, что poly C направляет синтез полипролина, а poly A — полилизина, то есть CCC является пролиновым кодоном, а AAA кодирует лизин. К счастью, использованная в этих экспериментах бесклеточная система содержала повышенную концентрацию ионов магния, при которой (как выяснилось в дальнейшем) инициация синтеза полипептидной цепи происходит и в отсутствие инициаторного кодона AUG. Только поэтому вышеупомянутые синтетические матрицы и удалось использовать для аномальной инициации трансляции. Так, отчасти благодаря счастливой случайности, удалось сделать первые шаги на пути к полной расшифровке генетического кода». ( Кайгер Д., Айала Ф. Современная генетика. — М.: Мир, 1987. Т. 2. С. 76.) . Расшифровка всех остальных кодонов после этого была уже только делом биохимических опытов, пусть и непростых технически, но абсолютно прозрачных по смыслу. Завершить ее удалось всего за каких-то пять лет. К 1965 году генетический код был полностью взломан (cracked). Именно так это тогда называли в статьях, а еще чаще в разговорах, вполне в духе основоположника научного мировоззрения сэра Фрэнсиса Бэкона, некогда заявившего на весь мир, что знание — сила.

Весь процесс переноса генетической информации от ДНК через РНК к белкам называется экспрессией генов. Тут мы в который раз, и теперь уже вплотную, сталкиваемся с понятием «ген». И пора, пожалуй, немного его обсудить, прежде чем идти дальше.

Итак, что же такое ген? Слово это слышал каждый. Но вот дать строгое определение гена на самом деле не так уж и легко. Довольно часто встречается мнение, что ген — это участок ДНК, кодирующий структуру одного белка (концепция «один ген — один белок»). Для большинства генов это верно. Но не для всех. Например, белок, у которого есть четвертичная структура, кодируется несколькими генами. В самом деле, такой белок по определению состоит из нескольких аминокислотных цепочек, которые могут синтезироваться отдельно, а объединяться только после трансляции.

Еще большую проблему для «белкового» определения гена составляют РНК. Все клеточные РНК транскрибируются с генов, но довольно многие из них потом не транслируются ни в какие белки. Например, это относится ко всем рибосомным и транспортным РНК. Между тем те участки ДНК, на которых закодированы последовательности рРНК и тРНК, — это тоже гены, нет никаких оснований не считать их таковыми.

Обойти эти трудности можно, если решить, что ген — это единица транскрипции, то есть участок ДНК, кодирующий одну любую РНК (информационную, транспортную или рибосомную). Правда, к этому определению при желании тоже можно придраться: например, в некоторых геномах встречаются гены, которые транскрибируются обычно вместе, хотя кодируют разные белки. Словом, ген — это типичный пример общего понятия, которое в разных случаях может применяться немного по-разному.

Условимся, что если к слову «ген» не сделано никаких оговорок, то речь идет, скорее всего, о гене, который кодирует один белок, состоящий из одной аминокислотной цепочки, то есть из одного полипептида (см. главу 3). О рядовом гене, так сказать. В этом случае определение «один ген — один белок» будет верным.

Число генов у каждого отдельного живого существа обычно измеряется тысячами или первыми десятками тысяч. Например, у многоклеточных животных генов чаще всего 15 000–20 000. У бактерий — всего несколько тысяч или, в редких случаях, даже несколько сотен (правда, обладатели таких маленьких геномов могут жить только внутри чужих клеток, от которых и получают большую часть нужных веществ — своих ферментов им для этого, как правило, не хватает). А у некоторых цветковых растений число генов переваливает за 40 000, и вот это, видимо, уже близко к естественному пределу. Во всяком случае, сотен тысяч и миллионов генов ни у какого земного живого организма нет.

Всевозможные процессы «включения» и «выключения» генов, ослабления и усиления их активности и тому подобного в сумме называются регуляцией экспрессии. Надо сказать, что способы регуляции экспрессии невероятно многообразны. Прежде всего, экспрессию гена можно регулировать как на уровне транскрипции (запуск или прекращение синтеза РНК), так и на уровне трансляции (ускорение или задержка синтеза белка на готовой иРНК). Регуляция на уровне транскрипции — более базовая, на уровне трансляции — более тонкая, и ее мы пока не будем касаться.

Но и транскрипцию можно регулировать по-разному. Давайте рассмотрим рядовой ген, то есть отрезок ДНК, несущий полную информацию о некотором белке (см. рис. 9.7А). Он состоит из кодирующей части, где записана последовательность аминокислот, и нескольких некодирующих участков, нужных только для регуляции работы самого гена. Главный из этих некодирующих участков называется промотором. Промотор — это та самая последовательность, которую обязательно должна распознать РНК-полимераза, чтобы транскрипция гена вообще произошла. А вот перед промотором находятся дополнительные регуляторные участки, которые нужны для связывания белков, влияющих на активность гена. Главный из таких белков: конечно, РНК-полимераза, которая, собственно говоря, транскрипцию и осуществляет. И ей в этом помогают еще несколько белков — так называемые общие факторы транскрипции, необходимые для самого процесса синтеза РНК. Но, кроме того, есть еще и регуляторные факторы транскрипции, которые в синтезе РНК непосредственно не участвуют. Их работа — связываться с ДНК, или облегчая, или затрудняя посадку РНК-полимеразы на соответствующий ген (см. рис. 9.7Б). ДНК-связывающий белок, усиливающий таким образом транскрипцию, называется активатором , а ДНК-связывающий белок, блокирующий транскрипцию, — репрессором . Белок-репрессор просто не дает РНК-полимеразе сесть в нужную точку ДНК, а белок-активатор, наоборот, меняет конформацию ДНК так, чтобы РНК-полимеразе было удобнее с ней связаться. Несколько упрощая, можно сказать, что белок-активатор включает ген, а белок-репрессор выключает его.