Борис Медников - Аналогия

Первый этап перекодировки ДНК → РНК не изменяет информационной емкости сигнала. Ведь нуклеотидный текст остается без изменения, только тимин заменяется на урацил. А это тот же тимин, только неметилированный (без группы СН3). Зато перекодировка нуклеотидного текста информационной РНК в аминокислотную последовательность белка весьма существенна.

Сейчас и в школе учат, что одна аминокислота, точнее, один аминокислотный остаток в полипептидной цепи, образующей белок, соответствует трем нуклеотидам в информационной РНК. Возможное число сочетаний из 4 по 3 — это 43, т. е. 64 символа. Если бы в наших белках было 64 аминокислоты, то энтропия на символ равнялась бы:

Но три символа (тройки нуклеотидов, триплеты, кодоны) — бессмысленны, они аминокислот не кодируют. На них синтез полипептидной цепи обрывается, они соответствуют пробелам между словами в печатной речи и паузам — в устной. А аминокислот в белковом тексте всего 20, причем, каждая из них кодируется разным числом триплетов. Лейцин, серии, аргинин — эти буквы белкового текста кодируются каждый шестью триплетами, а метионин и триптофан — только одним триплетом каждый. Такой код называется вырожденным.

Аналогию можно найти и в человеческих языках. В старой русской орфографии звук «эф»выражался двумя символами — Фи Θ(ферт и фита), звук «и»— тремя: и, i, (ижица). И в орфографиях других языков встречается вырожденность кода: например, англичане звук «и»выражают через i(в начале слов, заимствованных из других языков), через е(the evening, вечер), через дифтонг ее(the speed, скорость), через еа(dean, декан), через у(prosperity). Я не останавливаюсь здесь на делении гласных на краткие и долгие; для нас это сейчас не имеет значения. Как возникла в процессе эволюции вырожденность генетического кода — неясно. Может быть, на заре жизни аминокислот в белках было больше, чем сейчас? Впоследствии часть из них выпала, а их кодоны захватили другие аминокислоты, близкие по свойствам. Но это только гипотеза, если не спекуляция.

Вернемся, однако, к энтропии на символ для белкового текста. С учетом вырожденности кода эта величина, по моим давним подсчетам, равна 4,21 бит/аминокислотный остаток. Но это опять же с допущением, что все остатки в белке встречаются с одинаковой частотой. А это далеко не так. Если учтем данные по аминокислотному составу белков, получается величина примерно в два раза меньшая — у меня получалось 2,17-2,38 бит. Разумнее все же считать эту цифру завышенной, так как я исходил из того, что, например, все шесть кодонов для аргинина встречаются с одинаковой частотой. Два бита на символ — величина, наиболее подходящая для белка.

А сколько белков может синтезировать наш организм? Решая эту проблему, исследователи столкнулись с парадоксом, получившим название «парадокса лишней ДНК» (она же «эгоистичная, паразитическая, избыточная и мусорная»). О ней-то сейчас и пойдет речь.

О преимуществе вируса перед человеком.Два обстоятельства, на мой взгляд, привели к тому, что значительная часть исследователей по сие время теряет время в пустых вычислениях и бессмысленных спорах.

Первое — то, что мы привыкли считать: ген — это та последовательность нуклеотидов в ДНК, которая кодирует белок. Отсюда стандартное изречение: один ген — один белок.

Второе — то, что по чисто техническим причинам изучение генетических программ и их перекодировки началось с простейших (бактерии) и сверхпростейших, упрощенных организмов (вирусы). А проще — с кишечной палочки и паразитирующих в ней бактериофагов и вируса табачной мозаики.

Исследование этих объектов вроде бы подтверждало прежнюю истину («один ген — один белок»). Правда, нашлись и исключения. Некоторые белки складывались из нескольких полипептидных цепей и кодировались, соответственно, несколькими генами. Другие гены кодировали не белки, а нужные для работы клетки нуклеиновые кислоты — РНК рибосомные и транспортные. Но это все было мелочью, и до сих пор многие полагают, что гены — это та ДНК, которая кодирует белки, а если она их не кодирует, то это не гены. А что же это тогда? Какую функцию выполняет ДНК, не находящая отражения в аминокислотных последовательностях белков?

Пока изучали простейшие объекты, от этой ДНК можно было отмахнуться. Геномы бактерий и фагов построены очень экономно. Там действительно почти каждая нуклеотидная последовательность находит отражение в аминокислотной последовательности белка. Более того, экономия генетического материала у вирусов доходит до того, что один ген может кодировать два, а то и три белка. Как это может получиться? Возьмем для примера кусочек последовательности информационной РНК, кодирующий всего три аминокислотных остатка:

Это соответствует последовательности в белке:

То есть, серин-треонин-аспарагиновая кислота. Тот же ген может быть прочитан со сдвигом на один нуклеотид вправо. Тогда получится совсем другой белок, в нашем примере эта часть будет означать про-арг-иле (пролин-аргинин-изолейцин). Код вирусов перекрывается, одна последовательность нуклеотидов читается по-разному в зависимости от начала считывания. У некоторых фагов отмечено даже тройное перекрытие. Гены высших организмов так экономно не построены, достоверных данных о перекрытии в них нет. Впрочем, геномы ретровирусов, к которым относится печально известный вирус СПИДа, способны к перекрыванию, а во многих геномах высших организмов имеются очень похожие на них последовательности.

Но это все-таки исключение из правила. В целом уже первые исследования показали, что наши геномы построены, по крайней мере на первый взгляд, чрезвычайно неэкономично. Как говорят, у них низкая плотность кодирования генетической информации. Образно выражаясь, геном вируса — речь спешащего спартанца, геном человека — речь заикающегося зануды.

Доказать это очень просто. Сколько белков может синтезировать организм человека? Около 50 тыс. (конечно, в самом грубом приближении). Нуклеотидов в геноме человека 3,2 млрд. Зная молекулярную массу «среднего» белка, нетрудно прикинуть, из скольких аминокислотных остатков он состоит, сколькими кодонами кодируется. Помножив на 50 тыс., мы придем к выводу, что не меньше 95% ДНК в геноме лишние. Более того, теперь мы уже точно знаем, что большая часть ДНК в наших геномах никаких белков не кодирует, с нее не считывается в обычных условиях информационная РНК, а если и считывается, то не находит отражения в аминокислотных последовательностях. Что же делает эта ДНК, какова ее функция?