Эпигенетика. Как современная биология переписывает наши представления о генетике, заболеваниях и наследственности - Несса Кэри

Рис. 3.2. На первой стадии репликации ДНК происходит разделение двойной спирали на две цепочки. Основания каждой отделенной основной цепочки служат шаблоном для создания новой цепочки. Это гарантирует, что две новые двухцепочечные молекулы ДНК будут иметь абсолютно ту же последовательность оснований, что и родительская молекула. Каждая новая двойная спираль ДНК обладает одной основной цепочкой, которая прежде принадлежала родительской молекуле (черная), и одной только что синтезированной основной цепочкой (белая)

Даже в природе, в системе, эволюционировавшей миллиарды лет, нет совершенства, и временами механизм репликации дает сбои. Он может попытаться вставить основание Т туда, где полагается быть основанию Ц. Когда такое случается, ошибка почти всегда мгновенно исправляется другим набором белков, которые могут распознать, что произошло, извлечь неверное основание и заменить его правильным. Это называется механизмом репарации ДНК, и одна из причин, по которым он работает, заключается в том, что, когда пару составляют неподходящие для этого основания, он определяет, что «молния» ДНК не «застегивается» должным образом.

Клетка изо всех сил старается сделать так, чтобы копии ДНК получались абсолютно идентичными своему оригинальному шаблону. Важность этого станет еще более понятной, если мы снова, как уже делали это выше, сравним ДНК со сценарием. Вспомним одну из самых знаменитых строк во всей английской литературе: Ромео, о зачем же ты Ромео?

Если мы изменим всего лишь одну букву, то как бы эмоционально ни была произнесена эта фраза со сцены, смысл ее вряд ли останется тем, который вкладывал в него великий Шекспир: Ромео, о затем же ты Ромео?

Этот не совсем серьезный пример достаточно убедительно иллюстрирует, почему сценарий должен воспроизводиться совершенно точно. То же самое может происходить и с нашими ДНК — одно неуместное изменение (мутация) может привести к катастрофическим результатам. Особенно актуально это в том случае, если мутация присутствует в яйцеклетке или сперматозоиде, поскольку в конечном итоге это может привести к рождению индивидуума, все клетки которого будут поражены мутацией. Некоторые мутации могут вызывать крайне тяжелые клинические последствия. Примерами этого могут быть, например, дети, стареющие настолько стремительно, что в десятилетнем возрасте они практически не отличаются от семидесятилетних мужчин и женщин, или девушки с предрасположенностью к развитию злокачественной опухоли груди, которую сложно диагностировать до достижения ими возраста сорока лет. К счастью, такие виды генетических мутаций относительно редки по сравнению с заболеваниями, которым подвержено большинство людей.

Все 50 000 000 000 000 или около того клеток человеческого организма являются результатом безупречной репликации ДНК, происходящей раз за разом и каждый раз при делении клеток после образования той одноклеточной зиготы, о которой мы узнали в главе 1. Вы будете еще более впечатлены, узнав, в каких объемах ДНК приходится воспроизводиться всякий раз, когда одна клетка образует при делении две дочерние клетки. В каждой нашей клетке содержится шесть миллиардов пар оснований ДНК (половина в свое время была получена нами от отцов и половина — от матерей). Эту последовательность шести миллиардов пар оснований мы называем геномом. Следовательно, деление каждой самостоятельной клетки нашего организма является результатом копирования 6000000000 оснований ДНК. Если мы воспользуемся тем же способом вычислений, к которому прибегали в Главе 1, то есть будем считать по одной паре оснований в секунду, не устраивая перерывов, то нам потребуется каких-то 190 лет, чтобы пересчитать все основания в геноме одной клетки. Учитывая, что ребенок рождается всего лишь через девять месяцев после образования одноклеточной зиготы, мы вынуждены будем согласиться с тем, что наши клетки способны реплицировать ДНК довольно быстро.

Три миллиарда пар оснований, наследуемых нами у каждого из родителей, не вытянуты в одну длинную цепочку ДНК. Они собраны в маленькие узелки, называемые хромосомами. Подробнее мы поговорим о них в главе 9.

Чтение сценария

А пока давайте вернемся к более фундаментальному вопросу о том, что именно делают эти шесть миллиардов пар оснований ДНК и как работает сам сценарий. Или, говоря конкретнее, как может код, состоящий всего из четырех букв (А, Ц, Г и Т), создавать тысячи и тысячи разнообразных белков, находящихся в наших клетках? Ответ на этот вопрос до удивления элегантен. Он может быть описан в терминах модульной парадигмы молекулярной биологии, но, пожалуй, нам будет значительно удобнее рассматривать его на примере конструктора «Лего».

В свое время у «Лего» был мощный рекламный слоган «Каждый день — новая игрушка», и это не было преувеличением. В большой коробке «Лего» помещается ограниченное количество фигурок, преимущественно не слишком различающихся между собой кирпичиков определенных форм, размеров и цветов. Тем не менее, из этих кирпичиков можно сложить самые разнообразные макеты чего угодно, от уточек до домиков и от самолетиков до бегемотиков. Практически то же происходит и с белками. «Кирпичиками» в белках являются довольно маленькие молекулы, которые называются аминокислотами, и в наших клетках содержатся двадцать стандартных аминокислот (различных кирпичиков «Лего»). Но эти двадцать аминокислот могут соединяться между собой в невообразимо огромном разнообразии сочетаний, создавая столь же колоссальное число белков.

Однако мы пока не выяснили, каким образом пусть даже двадцать аминокислот могут быть закодированы всего лишь четырьмя основаниями ДНК. Дело в том, что механизм клетки «считывает» ДНК блоками по три пары оснований за раз. Каждый блок, состоящий из трех пар оснований, называется кодон и может выглядеть как А А А, ГЦГ или любая другая комбинация А, Ц, Г и Т. Из всего лишь четырех оснований можно создать шестьдесят четыре различных кодона, и этого количества будет более чем достаточно для двадцати аминокислот. Некоторые аминокислоты закодированы более чем одним кодоном. Например, аминокислота под названием лизин закодирована кодонами ААА и ААГ. Некоторые кодоны вообще не занимаются кодированием аминокислот. Они служат сигналами, сообщающими механизму клетки о завершении кодирования последовательности белков. Такие кодоны называются терминирующими кодонами или терминаторами.

Как именно ДНК в наших хромосомах выполняет функции сценария для производства белков? Делает она это при помощи белка-посредника, молекулы, которая называется матричной РНК (мРНК). мРНК очень похожа на ДНК, хотя и отличается от нее в некоторых существенных деталях. Ее основная цепочка слегка отлична от ДНК (поэтому она и называется РНК, что означает рибонуклеиновая, а не дезоксирибонуклеиновая, кислота); она является одноцепочечной (так как состоит лишь из одной цепочки); вместо основания Т в ней находится очень похожее, но все же отличающееся от него основание У (сейчас нам нет необходимости вдаваться в подробности, почему это происходит и к чему приводит). Когда «прочитывается» определенный участок ДНК, чтобы на основании этого сценария был произведен некий белок, громадный комплекс белков «отстегивает» нужную часть ДНК и делает копии мРНК. При этом комплекс пользуется принципом спаривания оснований, поэтому сделанные им копии мРНК идеальны. После этого молекулы мРНК используются в качестве временных шаблонов в специализированных структурах клетки, ответственных за производство белков. Они прочитывают трехбуквенный код кодона и связывают вместе требуемые аминокислоты для образования более длинных белковых цепочек. Весь этот процесс, конечно, намного сложнее, но принцип его именно такой.