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

Первичная возможность для сбережения и копирования генетической информации заключена уже в пространственной структуре этого необычного полимера, который в клетке никогда не бывает представлен одиночной нитью, но всегда имеет форму спирали из двух разнонаправленных молекул, подходящих, или, как говорят ученые, «комплементарных», друг другу так, чтобы образовывать красивую симметричную и стабильную структуру. За ее предсказание и описание в свое время ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик получили Нобелевскую премию.

Симметрия пространственной структуры ДНК достигается за счет того, что напротив остатков большего размера аденина (А) и гуанина (G) всегда стоит остаток меньшего объема тимина (Т) и цитозина (С).

Стабильность достигается за счет того, что напротив одного остатка, способного образовывать две или три водородные связи, всегда стоит второй с аналогичными свойствами (А — Т, G — C), чтобы ни одна возможность для образования связи не оказалась утраченной. Кроме того, уложив аккуратными стопочками внутри спирали массивные и гидрофобные (жирные, буквально — «боящиеся воды») нуклеотиды и выставив наружу полярные, «дружащие с водой», остатки фосфорной кислоты молекул, ДНК также увеличивает свою стабильность.

Принцип комплементарности приводит к тому, что, зная последовательность одной (любой) нити ДНК, вы всегда можете достроить вторую, комплементарную ей, нить. Именно это происходит при делении клетки, когда генетическая информация удваивается.

Но для нас сейчас важнее то, как спиральная структура ДНК помогает сохранению генетической информации. С одной стороны, она изолирует нуклеотиды (последовательность которых, собственно, и является значимой, «кодирующей» частью полимера) внутри спирали, защищая их от химических воздействий и модификаций. С другой — любая «неправильность» в спаривании «неподходящих остатков», например А — С или С — С, тут же приведет к нарушению регулярной структуры спирали и с легкостью может быть обнаружена и исправлена.

Благодаря большому количеству остатков фосфорной кислоты молекула ДНК в воде имеет отрицательный «кислотный» заряд, и, чтобы скомпенсировать его и привести молекулу в более «нейтральное», а значит, менее активное в химическом смысле состояние, клетка использует специальные белки гистоны, богатые положительно заряженными «щелочными» аминокислотными остатками, которые образуют белковый комплекс нуклеосому. Спираль ДНК наматывается на шарик нуклеосомы, образуя структуру, названную наблюдательными биологами «бусины на нитке». Потом эти бусины упаковываются в более плотную структуру — фибриллу, фибрилла, в свою очередь, сворачивается и перекручивается и т. д. В результате образуется хроматин — комплекс из ДНК и белков, который позволяет упаковать наследственную информацию одновременно и плотно, и упорядоченно, а молекулы белков хроматина еще и надежно защищают хрупкую молекулу ДНК от воздействия повреждающих факторов. При этом разные части клеточного хроматина могут быть упакованы с разной плотностью. Гены, активные в данном типе клеток, будут находиться в участках рыхлого хроматина, где они доступны для взаимодействия с белками, а вот «спящие гены» окажутся уложены более плотно.

При делении клетки хроматин ядра собирается в хромосомы. Каждая хромосома — это отдельная «нить» ДНК, максимально плотно упакованная с белками и несущая определенный набор генов. В клетке бактерии, как правило, одна кольцевая хромосома, но большинство многоклеточных организмов построено на основе геномов, содержащих несколько линейных хромосом. Если воспользоваться сравнением из мира библиофилов, то геном бактерии — это «однотомник», а вот человеческий геном представляет собой целое «собрание сочинений» в 23 томах-хромосомах.

В каждой клетке человеческого тела (за исключением сперматозоидов и яйцеклеток) это «собрание сочинений» присутствует в двух экземплярах — итого 23 пары хромосом. Одна хромосома в каждой паре происходит из материнской яйцеклетки, вторая — из отцовского сперматозоида. Такой «удвоенный», или, как говорят ученые, диплоидный, набор генов также очень важен. Для чего? Все для того же: для сохранения информации. Если в вашей домашней библиотеке есть два разных издания романа Дюма «Три мушкетера» и одно из них ненароком сгрызет кто-нибудь из домашних питомцев, вы все-таки сможете дочитать историю до конца, взяв второе издание. Точно так же и в клетке: дублирование генов увеличивает «запас прочности» и дает возможность противостоять случайностям и повреждениям.

Хотя генетическая информация сохраняется в ДНК, но качество ее хранения зависит от белков, которые занимаются контролем точности копирования (репликации) ДНК при делении и «починкой» генов, если в них случайно появляются ошибки. Эти белки формируют системы, или пути репарации (восстановления) ДНК. Таких систем в клетке около десятка. Белки систем репарации буквально «сканируют» хромосомы, а когда обнаруживают ошибку — неспаренные основания, или разрыв цепочки, или какое-то другое изменение, нарушающее структуру идеальной двойной спирали, — исправляют ее. Устранение повреждений в последовательности приводит к восстановлению структуры ДНК. Контролирующих систем в клетке несколько, и каждая наиболее чувствительна к определенному типу ошибок (неправильное спаривание оснований, одноцепочечный разрыв ДНК, двуцепочечный разрыв и т. д.). Однако частично их функции «перекрываются», что дает системам репарации возможность замещать и «подстраховывать» друг друга и повышает генетическую стабильность клетки. Повреждение таких белков-контролеров приводит к тому, что нарушения в геноме перестают своевременно устраняться и начинают накапливаться. Именно это наблюдается при некоторых разновидностях рака.

ФАКТ:геном человека неплохо защищен от повреждений. Но никакая биологическая защита не совершенна, и на то есть причины.

В этой книге мы будем много говорить о генах (ДНК) и белках и очень мало о РНК, ибо «нельзя объять необъятное» и пересказать все открытия молекулярной биологии, сделанные за прошедшие полвека, в одной небольшой книжке. Однако хочется хотя бы в этом «лирическом отступлении» воздать должное и второй нуклеиновой кислоте, тем более что одной из самых красивых молекулярно-биологических гипотез, сформулированных после «Основной догмы молекулярной биологии», является гипотеза РНК-мира, объясняющая происхождение трех главных типов макромолекул — белков, ДНК и РНК.