Эдвард Стил - Что, если Ламарк прав? Иммуногенетика и эволюция

Рис. 2.5. ДНК, РНК и белки имеют трехмерную структуру. На уровне генетической (нуклеотидной) и белковой (аминокислотной) информации часто удобно рассматривать линейные последовательности (слева); на уровне функции в клетке все эти молекулы имеют сложную трехмерную структуру.

А. Двухцепочечная ДНК — это правозакрученная спираль. Однако существует и более сложная укладка, особенно в высших клетках, позволяющая компактно упаковывать хромосомы внутри ядра. В зависимости от стадии клеточного цикла, спирали образуют комплексы с разнообразными белками, многие из которых определяют, какие гены будут транскрибироваться в мРНК.

Б. Одноцепочечные молекулы РНК могут складываться в сложные структуры с локальными спариваниями оснований комплементарных последовательностей. Эта вторичная структура особенно важна для функционирования транспортных и рибосомных РНК.

В. Аминокислотные последовательности белка принимают сложную пространственную структуру.

Генетический код, насколько известно до сих пор, универсален для всех живьк организмов на Земле: от мельчайших вирусов и бактерий до растений и животных. В ходе эволюции жизни на Земле около 3—4 млрд. лет назад этот код был отобран как оптимальный механизм переноса информации, приводящий к образованию белка, и с тех пор ни разу не был ни изменен, ни заменен. В противоположность этому современные компьютерные программы постоянно обновляются и заменяются. Очень интересны рассуждения Лесли Оргела (Orgel) и Фрэн-сиса Крика о возникновении генетического кода, опубликованные примерно 25 лет назад. Они полагают, что сложный молекулярный аппарат, требующийся для транслирования РНК в белок, мог быть занесен на Землю живыми организмами (бактериями) откуда-то из Вселенной — или кометами, или космическим кораблем из сверхразумной цивилизации. Варианты этой идеи отстаивают и астрофизики Фред Хойли (Hoyle) и Чандра Викрамасинг (Wickramasihghe) в книгах Life Cloud (Облако жизни) и Our Place in the Cosmos (Наше место во Вселенной) (рис. 1.4).

Рис. 2.6. Наследование изменении в последовательности оснований ДНК. Репликация ДНК — это процесс копирования. Несмотря на высокую точность этого процесса иногда все-таки происходят замены, вставки или потери оснований. Такие ошибки, например замена одного основания, редкие события. Их частота составляет примерно 1 на миллиард реплицированных оснований (см. рис. 5.2). Традиционно последовательность оснований ДНК представляют цепью 5'-3' (она имеет ту же ориентацию, что и мРНК, которая никогда не служит матрицей для синтеза мРНК).

А. В верхнем примере восьмое основание G заменено на А в этом же положении. Если эта замена происходит в участке гена, кодирующем аминокислоты, это может привести к появлению в ходе трансляции другой аминокислоты в белке или к преждевременному окончанию (терминации) синтеза белка (т. е., эта замена может привести к появлению стоп-кодона ТАА, TAG или TGA).

Б. Замена одного основания — простейший тип мутации; более сложные мутации могут приводить к потере или вставке одного или нескольких оснований. Если вставки или потери происходят в нетрэчскри-бируемых или фланкирующих участках, это может не привести к серьезным генетическим последствиям. Однако если они происходят в участке, кодирующем аминокислоты, последствия обычно летальны, так как последовательность аминокислот в белке будет совершенно другой, покольку вставка или потеря оснований изменяют рамку считывания кодонов. Чаще всего, изменение рамки считывания кодонов (этот тип мутаций называется «сдвиг рамки») приводит к появлению стоп-кодона, а именно ТАА, TAG или TGA, которые преждевременно останавливают синтез белка.

Где бы ни возник генетический код, он стал основным кодом жизни на Земле. Он привел к развитию чрезвычайно сложных и разнообразных биологических форм, оставаясь неизменным для всех организмов.

Когда мы клонируем какой-нибудь ген (скажем, ген инсулина человека), мы реплицируем (размножаем) его в бактериальных клетках и, таким образом, производим большое количество инсулин-специфической ДНК. Это говорит о том, что аппарат репликации ДНК бактерий обрабатывает ДНК-последовательность человека так же, как и бактериальную. Если мы хотим получить большое количество белка инсулина для лечения диабета, мы «экспрессируем» клонированный ген человека в бактерии. То есть, мы заставляем бактерию производить человеческий инсулин. И бактерия создает тот же самый инсулин, с той же последовательностью аминокислот, что и клетка человека. Это означает, что генетический код прочитывается одинаково и в бактериальной, и в человеческой клетках, а разошлись они в ходе эволюции, возможно, 3,6 млрд. лет назад.

Итак, гены в хромосомах представлены двухцепочечной ДНК. По мере роста клетка производит копию каждой цепи ДНК, и образуются две двухцепочечные спирали. В каждую из двух новых дочерних клеток, образующихся в результате деления, попадает по одной новой молекуле ДНК. Для роста и выполнения своих функций в дифференцированных тканях многоклеточного организма клетки нуждаются в тысячах различных белков, которые объединяются в структуры, которые мы называем «мультимолекулярными машинами». Такие объединения белков (и РНК) координируют и проводят все химические реакции в клетке, которые необходимы ей для поддержания жизни, роста и развития. Генетическая информация, зашифрованная в линейной последовательности оснований ДНК, определяет (через РНК) весь набор белков, в которых нуждаются различные клетки. Информационные молекулы продуцируют практически бесконечное разнообразие белков — с разными последовательностями аминокислот, структурой и функциями, — которое дало начало удивительному разнообразию и великолепию форм жизни на Земле.

Хотя мы говорим о линейных последовательностях ДНК, РНК и белка, надо помнить, что все эти информационные и функциональные полимеры имеют трехмерную структуру. Так, двухцепочечная ДНК — это правозакрученная спираль (рис. 2.5, А). Одноцепочечная РНК способна формировать сложную структуру за счет спаривания соседних комплементарных последовательностей (рис. 2.5, Б). Цепочка аминокислот в белке также складывается в характерную трехмерную форму (рис 2.5, В). Следовательно, на уровне генетической информации нам достаточно думать в терминах линейных последовательностей, но на функциональном уровне жизнь протекает в трехмерном пространстве.