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

Самое тут интересное, что регуляторные белки (и активаторы, и репрессоры, и любые другие), разумеется, тоже являются продуктами каких-то генов. И эти гены тоже должны быть кем-то или запущены, или заторможены. Гены, кодирующие регуляторные белки, очень легко взаимодействуют через свои продукты, включая и выключая друг друга и образуя в результате целые цепочки и сети. Неудивительно, что генные сети (gene regulatory networks, сокращенно GRN) стали популярнейшим объектом изучения современной биологии.

Еще один способ регуляции экспрессии — прямая химическая модификация ДНК. Самый частый вид такой модификации — метилирование цитозина (см. рис. 9.7В). В этом случае на определенном отрезке ДНК каждый цитозин получает дополнительную метильную группу и превращается в 5-метилцитозин. Такие участки ДНК транскрибируются слабее, «замолкают». Метилирование ДНК обратимо и может быть снято соответствующими ферментами, если выключенные этим способом гены потребуется опять включить.

Теперь нам осталось поговорить еще про репликацию , то есть копирование ДНК. Как-никак самовоспроизводство — одно из самых главных свойств живых организмов, а без репликации оно совершенно невозможно.

Репликация ДНК — полуконсервативная (см. рис. 9.8А). Двойная спираль расшивается с разрывом водородных связей, после чего к каждой нити ДНК достраивается комплементарная нить из находящихся в растворе нуклеозидтрифосфатов (превращающихся попутно в нуклеозидмонофосфаты). И в результате получается две двойные спирали, в каждой из которых одна цепь «старая», а другая — «новая».

Фермент, который синтезирует из мономеров новую цепь ДНК, комплементарную к имеющейся, называется ДНК-полимеразой. На самом деле в любой клетке есть несколько ДНК-полимераз, отличающихся по функциям. Заодно тут сразу возникает несколько проблем, которые с одним классом ферментов в любом случае не решить (см. рис. 9.8Б).

Во-первых, чтобы репликация стала возможна, комплементарные цепи ДНК надо как-то разделить. Для этого фермент хеликаза разрывает водородные связи между азотистыми основаниями, а фермент топоизомераза раскручивает двойную спираль ДНК, разрывая для этого ковалентные связи между нуклеотидами и тут же сшивая их заново. Последнее неизбежно, потому что двойную спираль невозможно раскрутить, не разрывая, если нам недоступны ее концы. Для простоты можно представить себе вместо нее обыкновенный узел, концы шнурков от которого уходят куда-то в бесконечность, а нам тем не менее надо разделить шнурки, чтобы они шли параллельно и не перепутывались. Не будет другого выхода, кроме как разрезать их и потом сшить. Вот это топоизомераза и делает.

Во-вторых, ДНК-полимераза не может начать создавать новую цепь с нуля. Ей нужна затравка в виде короткой комплементарной РНК, которую синтезирует фермент праймаза. Новая ДНК может синтезироваться в виде целой серии фрагментов, ковалентно связанных с РНК-затравками (фрагменты Оказаки) . Потом особые ферменты вырезают РНК, помещают на ее место комплементарные исходной цепи дезоксирибонуклеотиды, и ДНК-лигаза сшивает все это в единую цепь ДНК.

В-третьих, цепи ДНК антипараллельны. А любая ДНК-полимераза может двигаться по исходной цепи от 3'-конца к 5'-концу, но никак не наоборот. Это означает, что новая цепь ДНК синтезируется начиная с 5'-конца, так же как и РНК при транскрипции. ДНК-полимеразы, способной ползти по цепи в обратную сторону, в природе не существует. Поэтому две цепи ДНК вынужденно реплицируются по-разному. Цепь, по которой ДНК-полимераза может непрерывно ползти от 3'-конца к 5'-концу, называется лидирующей . Тут механизм репликации упрощен: ДНК-полимераза начинает с единственной РНКовой затравки и дальше может сколько угодно наращивать новую цепь вдоль исходной по мере того, как та раскрывается. Цепь, вдоль которой ДНК-полимераза непрерывно ползти не может, называется отстающей . ДНК-полимераза проходит ее отрезок за отрезком, как бы перемещаясь скачками и каждый раз начиная с новой затравки. Тут как раз и образуются фрагменты Оказаки, а потом лигаза сшивает их вместе.

Мы видим, что кроме ДНК-полимераз в репликации участвуют белки, раскручивающие ДНК и удерживающие ее в раскрученном состоянии, создающие затравку для новой цепи, и другие — в общей сложности несколько десятков белков. Очевидно, что в таком сложном, многоступенчатом, затратном процессе не может не быть ошибок. Собственно говоря, ошибки и так неизбежны в любом процессе копирования информации — просто из-за случайного характера движения молекул. Но чем больше этапов и состыковок, тем больше возможностей сделать что-то неточно. И действительно, процесс репликации ДНК всегда включает некоторую вполне заметную долю ошибок, которая отличается у разных живых организмов, но никогда не равняется нулю. Часть этих ошибок тут же исправляется (репарация) , а часть сохраняется и передается следующим поколениям (конвариантная редупликация) . Наличие конвариантной редупликации — это важнейшее свойство всех живых систем, отличающее их от всех неживых.

Тут не помешает историческая справка. Термин «конвариантная редупликация» придумал выдающийся генетик Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский, и означает он самокопирование информационных молекул с сохранением случайно возникающих изменений. А еще это означает, что сейчас мы наконец добрались до самого смыслового ядра современной биологии. The very heart, как говорят англичане. Ведь биология — это, по сути, и есть наука о поведении конвариантно редуплицирующихся структур и их всевозможных надстроек. Именно благодаря конвариантной редупликации происходит биологическая эволюция. Более того, для любой конвариантно редуплицирующейся структуры эволюция физически неизбежна просто потому, что точность копирования информации никогда не бывает абсолютной и изменения накапливаются из поколения в поколение.

В современных научных и научно-популярных книгах молекулы, способные к самокопированию, принято называть репликаторами . Любой ген — это типичный репликатор. Он потому и существует, что способен создавать собственные копии, а вернее — побуждать организмы к созданию таких копий. От этих соображений остается один шаг до современной эволюционной теории.