Георгий Гамов - Мистер Томпкинс внутри самого себя

— Все же одно мне осталось неясным, — настаивал ненасытный мистер Томпкинс. — Молекулы ДНК во всех клетках моего тела должны быть одинаковыми, так как все они некогда возникли из одной клетки. Как же потом случилось, что одни клетки стали нервными клетками, другие мышечными, третьи — клетками кожи и т.д.? Если они получили одни и те же инструкции, то и стать они должны были одинаковыми.

— Вы задали действительно трудный вопрос, — признал доктор Экскинс, — и я должен сказать прямо, что полного ответа на него не знает никто. Мы называем это проблемой дифференциации — каким образом клетки с одинаковой ДНК дифференцируются, т. е. становятся различными. Ясно, что в каждой разновидности клеток источником инструкций служит лишь какая-то часть ДНК, и от того, какая часть молекулы ДНК, так сказать, «закрывается», зависит, какая клетка получится, к сожалению, мы пока не знаем, как закрывается та или иная часть ДНК.

Тем не менее кое-какие наводящие соображения относительно того, как это может происходить, все же имеются. Мы знаем, что некоторые гены в нормальном состоянии не активны, т.е. не копируются в информационную РНК и теперь нам известно, почему так происходит.

Существует специальный класс генов, управляющих синтезом белков, но белки эти особого свойства. Они не принадлежат к числу ферментов и не создают структуру клетки, а комбинируются с другими генами так, что те утрачивают способность быть транскриированными в информационную РНК. Таким образом, гены, вырабатывающие такие белки-ингибиторы, запрещающие транскрипцию, регулируют функционирование других генов. Мы называем их регуляторными генами, или генами-регуляторами.

Открытие регуляторных генов позволило объяснить кое-что из того, что до того казалось почти чудом, — способность вырабатывать так называемые адаптивные ферменты. Некоторые бактерии обладают весьма остроумным способом защиты от пенициллина. Если в среду их обитания добавить пенициллина, то они сразу же начинают вырабатывать фермент, разрушающий антибиотик. Но как только весь пенициллин оказывается уничтоженным, бактерии перестают вырабатывать чудодейственный фермент — до тех пор, пока в среду не будет снова добавлен пенициллин. Другим весьма близким примером могут служить бактерии, вырабатывающие фермент, который расщепляет один из Сахаров — лактозу, содержащуюся в молоке.

В расщепленном виде лактоза становится питательным веществом.

Как и в предыдущем примере, фермент вырабатывается бактериями только в том случае, если имеется лактоза. Таких примеров много.

Они свидетельствуют о том, что бактерии обладают способностью к адаптации. Но как они проделывают столь удивительные вещи?

Ответ в действительности очень прост. У некоторых бактерий есть ген, управляющий производством фермента, который разрушает пенициллин. Но обычно этот ген не действует, так как другой ген, регуляторный, вырабатывает особый белок, предотвращающий функционирование гена-разрушителя пенициллина. Но когда в среде оказывается пенициллин, он вступает в реакцию с особым белком, и тот перестает подавлять функционирование гена, разрушающего пенициллин. Ингибитор (как принято называть вещества, подавляющие или замедляющие химические реакции) сам оказывается ингибированным, и — как пример того, что минус на минус дает плюс, — ничто не мешает производству фермента, разрушающего пенициллина.

— Простите, но я не вполне понимаю, какое отношение имеет все это к дифференциации клеток, — заметил мистер Томпкинс.

— Возможно, что имеет и самое непосредственное, но мы в этом еще не вполне уверены. Возможно, что существуют такие регуляторные гены, которые вырабатывают белки, выключающие определенные гены, ненужные в клетках одного типа, а другие регуляторные гены управляют таким же образом другими генами. На мысль о существовании таких регуляторных генов у человека наводит, например, то, что одна из многочисленных форм лейкемии — рака белых кровяных клеток — по-видимому, вызывается стиранием части одной из хромосом человека. Дело обстоит так, как если бы вследствие этого был подавлен ген, ингибирующий рост. По современным представлениям кажется вполне вероятным, что некоторые из гормонов, играющих столь важную роль в регуляторной деятельности нашего организма, могут комбинироваться с белками, ингибирующими те или иные гены, и либо подавлять, либо усиливать действие этих белков. Теперь вам понятно, почему ученые так стремятся узнать как можно больше об этих материях.

— Но и это не объясняет, каким образом одна клетка становится отличной от другой, — упрямо заметил мистер Томпкинс. — Ведь вам теперь необходимо объяснить, каким образом включаются и выключаются регуляторные гены, не так ли?

Доктор Экскинс был очень доволен тем, что доктор Томпкинс так хорошо понял суть дела. — Совершенно верно, — подтвердил доктор Экскинс. —Фигурально выражаясь, я заметал грязь под ковер, но, по крайней мере, старался, чтобы весь сор был собран в одном месте и с ним легче было обращаться. Относительно поднятого вами вопроса существуют несколько идей.

Подобно тому, как на спине больших блох существуют кусающие их меньшие блошки, у одного регуляторного гена может быть другой, регуляторный ген, управляющий деятельностью первого. Действия таких регуляторных генов могут образовывать сложные сети, в которых действие регуляторного гена может в конце концов влиять на самого себя, если в цепи возникает замкнутый контур, или цикл. Такая система может стать флип-флопом.

— Флип-флоп? А что это такое? — с интересом спросил мистер Томпкинс.

— Не удивляйтесь, но вам флип-флопы хорошо известны, —заверил доктор Экскинс. — Одним из примеров флип-флопов может служить обычный электрический выключатель. Флип-флопом его можно считать потому, что он может находиться только в двух устойчивых положениях — либо «включено», либо «выключено». Если вы попытаетесь зафиксировать его в промежуточном положении, то у вас ничего не получится, так как он соскользнет либо в одно, либо в другое устойчивое положение. Некоторые исследователи отмечали, что если у вас имеется множество регуляторных генов, каждый из которых ингибирует какой-нибудь другой ген, то при определенных условиях система функционирует как флип-флоп. В зависимости от вашего исходного состояния, вы приходите либо в одно стабильное состояние, либо в другое

в зависимости от того или иного типа клеток. Приход в стабильное состояние означает, что в этом состоянии одни гены «включены», или находятся в активном состоянии, а другие «выключены», или находятся в неактивном состоянии, причем и те, и другие трудно вывести из тех состояний, в которых они находятся, «и еще не до конца разобрались в этом круге вопросов, но многое в этом направлении делается и экспериментаторами, и теоретиками.