Мария Кондратова - Кривое зеркало жизни. Главные мифы о раке, и что современная наука думает о них

Замена (мутация) в нуклеотидной последовательности гена влечет за собой ошибку (мутацию) в аминокислотной последовательности белка или даже полное прекращение его синтеза — к такому результату может привести незапланированное появление стоп-кодона в начале гена.

А теперь попробуйте решить несложную, на первый взгляд, задачу. Каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами, средняя длина белка составляет примерно 200 аминокислотных остатков. Сколько же белков кодирует человеческий геном, имеющий размер 3,1 млрд пар оснований («пар» — потому что обычная структура ДНК в клетке — это двойная спираль)? Неужели больше 5 млн?! (3,1 млрд: (200 * 3)). Но нет. Всего лишь около 20 000–25 000. Откуда же берется такое колоссальное расхождение между размерами генома и количеством белков?

(Строго говоря, приведенные выше цифры не совсем точны, поскольку с одного гена могут считываться несколько разных белков, так что общее число разных белков в человеческом организме будет больше 20 000–25 000, но все равно гораздо меньше 5 млн. При этом в каждой отдельной клетке будет синтезироваться лишь та часть из них, что соответствует ее специализации.)

Оказывается, значительную часть генома образует ДНК, которая не несет никакой информации о белках. На долю ДНК, кодирующей белки в организме человека, приходится всего около 3 %! И даже в генах кодирующие куски ДНК — экзоны — разбиты некодирующими интронами. Английский популяризатор науки Мэтт Ридли остроумно сравнил их с рекламой, прерывающей текст интересной статьи.

Поначалу озадаченные ученые пренебрежительно обозвали эту некодирующую часть ДНК «мусорной» (junk DNA), но в последние годы отношение к ней сильно изменилось. Выяснилось, что некодирующая ДНК играет важную регулирующую роль, особенно в многоклеточных организмах. В частности, было обнаружено, что сложность организации организма (разница между человеком и червем, условно говоря) слабо коррелирует с общим количеством генов в сравниваемых организмах, однако показывает убедительную взаимосвязь с размером некодирующего генома. Чем сложнее организм, тем больше в нем «мусорной» (а на самом деле — регулирующей) ДНК.

Это и другие открытия уточнили наши представления о генах и геноме. На сегодняшний день их можно сформулировать следующим образом. Совокупность ДНК в клетке формирует ее геном. Функция генома заключается в сохранении информации, необходимой для нормального функционирования белков, которые нужны для жизнедеятельности клетки. Эта информация состоит из двух частей. Первая часть — сведения о правильной аминокислотной последовательности белка, которая определяет его трехмерную структуру и биологическую функцию. Эту информацию несут кодирующие участки гена. Проводя соответствие между нуклеотидной последовательностью генома и определенным белком — «ген белка N» — мы имеем в виду именно ее. Вторая часть — это информация о регуляции активности этого белка в клетке: когда и в каких количествах он будет считываться с гена, будет ли ген активен во всех типах клеток или лишь в некоторых и какие факторы будут влиять на его активность (ее еще называют «экспрессией гена»). Эта информация каким-то (пока еще не до конца понятным нам образом) сохраняется в некодирующей, регулирующей части генома.

ФАКТ:белки — основа жизни, информация о белках кодируется генами. Ошибки в геноме нарушают нормальное производство тех или иных белков, что приводит к изменению свойств клетки. Например, из нормальной она может превратиться в раковую.

Описание структуры человеческого генома в учебниках зачастую выглядит как набор не связанных между собой фактов. На самом деле каждый элемент в этой сложной системе подчинен решению конкретной и очень непростой биоинженерной задачи — обеспечения сохранности генетического материала организма.

Только представьте: общая длина ДНК в клетке человека составляет около двух метров при среднем размере клетки 10–100 микрометров (1 мкм = 0,000001 м). То есть каждой клетке в нашем теле необходимо упаковать, не запутав и не порвав, тончайшую молекулярную нить в крошечный объем. Попробуйте при случае проделать аналогичный эксперимент с парой метров шелковой нити, и вы поймете, насколько это непросто.

В молекуле ДНК имеется множество активных химических групп — фосфатных остатков, гидроксилов, аминогрупп, — способных вступать в разнообразные реакции, а внутриклеточная среда, в которой она находится, представляет собой весьма энергичный химический «бульон». Как в таких непростых условиях избежать повреждения полимера?

Но главное — геном не просто энциклопедия клеточной информации, чья основная повседневная функция — «стоять на полке» в ожидании редкого читателя, а скорее «техническая документация», определяющая повседневную жизнь клетки. Та или иная ее часть постоянно пускается в ход, направляя синтез различных белков. ДНК мало компактно упаковать, сохранить от нежелательных воздействий и «убрать в закрома». Необходимо, чтобы при этом она продолжала работать — эффективно взаимодействовать с клеткой и регулировать ее жизнедеятельность, «включая» и «выключая» разные гены. Ну и конечно, не будем забывать: живые клетки размножаются делением, а это значит, что для сохранения «самоподобия» всех клеток многоклеточного организма в каждом таком случае геном материнской клетки должен быть сначала скопирован, а потом равномерно распределен по двум новым — дочерним — клеткам. Для соблюдения всех этих условий в биологических системах выстроена сложная иерархическая организация генома.

Начнем с основ — с химической формулы ДНК, которая состоит из последовательности мономеров нуклеотидов. Как нам уже известно, кроме ДНК, в живых клетках встречается другая нуклеиновая кислота, рибонуклеиновая (РНК), — в эволюционном смысле, как считают ученые, «старшая сестра» ДНК, возникшая намного раньше. У РНК в клетке много разных (и очень важных) функций, но хранение биологической информации в их число не входит. Геномы всех клеточных форм жизни, от бактерий до человека, построены только из ДНК (исключение составляют лишь некоторые вирусы). Существует немало предположений, почему так получилось, но самое правдоподобное — различие в ролях ДНК и РНК связано с различиями в их молекулярном строении. Полное наименование ДНК — ДЕЗОКСИрибонуклеиновая кислота. Сахар рибоза в ее составе немного изменен по сравнению с РНК (РИБОнуклеиновой кислотой): вместо гидроксила в одной из позиций находится водород, что делает молекулу менее гибкой, но более стабильной. Именно это свойство — стабильность — позволило ДНК выиграть у РНК молекулярную конкуренцию и занять место главной хранительницы генетической информации невообразимо древнего и, вероятно, еще доклеточного мира.