Ген. Очень личная история - Сиддхартха Мукерджи

К концу 1940-х Моно выяснил, что изгиб кривой возникал из-за метаболической перестройки. Переходя с глюкозы на лактозу, бактерии запускали выработку специфических ферментов для расщепления лактозы. Когда же они возвращались к питанию глюкозой, эти ферменты снова заменялись расщепляющими глюкозу. Запуск, или индукция, синтеза ферментов при смене субстрата – будто замена столовых приборов между блюдами (убрать нож для рыбы, взять десертную вилочку) – занимал несколько минут, что и выражалось ростовой паузой.

Моно решил, что феномен диауксии может указывать на регуляцию генов метаболическими сигналами извне. Если ферменты – а это белки – по команде появляются в клетке и исчезают, значит, гены включаются и выключаются, как молекулярные тумблеры (ферменты ведь кодируются генами). В начале 1950-х Моно вместе с присоединившимся к нему Франсуа Жакобом принялся систематически изучать регуляцию генов у E. coli, получая мутантов – именно этот метод так успешно использовал Морган в работе с плодовыми мушками[562].

Бактериальные мутанты, как и мушиные, рассказали многое. Моно и Жакоб, работая с Артуром Парди, генетиком-микробиологом из Америки, открыли три основных принципа регуляции генов. Во-первых, когда ген включается и выключается, его ДНК-оригинал остается без изменений. Перемены касаются его РНК-копий: когда ген активируется, с него считывается больше молекул РНК, а следовательно, синтезируется больше молекул ферментов, расщепляющих сахар. Метаболическую идентичность клетки – то есть потребление глюкозы или лактозы в тот или иной момент – можно установить не по нуклеотидной последовательности генов, которая всегда постоянна, а по количеству РНК, которую они производят. При потреблении лактозы в клетке появляется много РНК ферментов, расщепляющих лактозу. При питании глюкозой, наоборот, синтез таких РНК подавляется, а РНК расщепляющих глюкозу ферментов – активируется.

Во-вторых, синтез РНК-посредников регулируется координированно. Когда источником питания становится лактоза, бактерии ради ее усвоения активируют целый генетический модуль. Один из генов модуля кодирует белок-переносчик, который позволяет лактозе попасть внутрь бактериальной клетки. Другой ген кодирует фермент, расщепляющий лактозу на крупные фрагменты. Третий – фермент, разбивающий крупные фрагменты на мелкие. Удивительно, но все гены, задействованные в одном метаболическом пути, объединены и пространственно: на бактериальной хромосоме они идут друг за другом, как книги из одной тематической подборки в библиотеке, и индуцируются одновременно. Метаболическая перестройка в клетке означает глубокую генетическую перестройку. Сменяются не только приборы – одним махом заменяется весь обеденный сервиз. Функциональная цепь генов включается и выключается целиком, будто управляемая одним рубильником. Моно назвал такой генный модуль опероном[563].

Синтез белков таким образом идеально подстраивается под требования среды: если предоставить клетке нужный сахар, разом включится полный набор генов для его метаболизма. Эволюция с ее жуткой любовью к экономии породила самое элегантное решение и для регуляции генов. Ничего не работает напрасно: ни гены, ни РНК, ни белки.

Каким образом белок, «чувствующий» лактозу, узнает и регулирует именно гены, ответственные за ее расщепление, и игнорирует тысячи других генов в клетке? Третий главный принцип генетической регуляции, открытый Моно и Жакобом, гласит: с каждым геном ассоциированы специфические регуляторные последовательности ДНК, которые работают как опознавательные метки. После того как сахарочувствительный белок связывается с соответствующим сахаром, он узнает такую метку и включает (либо выключает) целевые гены. Это и служит генам сигналом производить больше РНК, а значит, и нужного для расщепления сахара фермента.

Иными словами, ген несет информацию не только о последовательности белка, но и о том, где и когда производить этот белок. Все эти данные зашифрованы в ДНК; обычно регуляторные последовательности примыкают к началу белок-кодирующей части гена (хотя могут стоять и после нее, и прямо в ней). Регуляторные и белок-кодирующая последовательности в совокупности и составляют ген.

Обратимся вновь к аналогии с предложением. Когда Морган открыл сцепленное наследование в 1910-м, он не нашел явных причин физической взаимосвязи каких-то генов на одной хромосоме: ген черной окраски тела и ген белых глаз, казалось бы, функционально не связаны друг с другом, но тем не менее стоят на хромосоме «плечом к плечу». В модели же Жакоба и Моно бактериальные гены собраны вместе по определенной причине. Те, что действуют в одном метаболическом пути, физически объединены друг с другом: если работаете вместе, то и живете в геноме вместе. Ген оснащен специфическими последовательности ДНК, которые определяют контекст его активности, его «работы». Такие последовательности, предназначенные для включения и выключения генов, можно сравнить с пометками и знаками препинания в предложении: кавычками, запятой, заглавной буквой. Они формируют контекст, расставляют акценты и придают значение, информируя читателя о том, какие части читать вместе и когда сделать паузу перед следующим предложением. Например, так: «Это структура вашего генома. Помимо прочего, он содержит независимо регулируемые модули. Некоторые слова собраны в предложения; другие разделяются точками с запятой, запятыми, тире».

Парди, Жакоб и Моно опубликовали свое монументальное исследование[564] лактозного оперона в 1959-м, через шесть лет после выхода статьи Уотсона и Крика о структуре ДНК. Их работа, получившая благодаря списку авторов название ПаЖаМо (в обиходе – «пижамная»), тут же стала классической. Ее значение для биологии было огромным. Статья ПаЖаМо утверждала, что гены – не пассивные шаблонные инструкции. Несмотря на то, что во всех клетках один и тот же набор генов – то есть их геномы идентичны, – выборочная активация или репрессия определенных групп генов позволяет отдельной клетке реагировать на условия среды. Геном – это активный план, способный реализовываться по частям – в определенное время и в зависимости от обстоятельств.

Белки в этом процессе работают как датчики для регулировки, как главные тумблеры: включают и выключают гены или даже сразу группы генов. Подобно партитуре завораживающе сложной симфонии, геном вмещает все инструкции по развитию и поддержанию жизни организмов. Но геномная «партитура» без белков безмолвна. Белки реализуют информацию в соответствии с актуальными задачами, активируя или подавляя считывание генов (некоторые регуляторные белки еще называют факторами транскрипции). Они дирижируют геномом, извлекают из него нужные музыкальные партии: на 14-й минуте побуждают вступить альт, арпеджио подчеркнуть звоном тарелок, крещендо – барабанной дробью. Концептуально это выглядит так:

Статья ПаЖаМо положила на лопатки главный вопрос генетики: как живой организм с фиксированным набором генов может так чутко реагировать на изменения в среде? Но та же статья предлагала ответ и на главный вопрос эмбриогенеза: как может организм с тысячами типов клеток развиться из эмбриона с тем же самым, одним-единственным набором генов? Регуляция генов – выборочное включение и выключение определенных генов в