Экспрессия генов
Характерные черты организма определяются его генами, которые кодируют белки, определяющие, в свою очередь, признаки составляющих организм клеток. Но гены не только диктуют последовательность аминокислот в белках, они влияют на всю биологическую сложность организма.
Развитие методов молекулярной биологии, начавшееся с мутагенеза в 1927-м, позволило ученым изучать генетические эффекты на биохимическом уровне. В то же время расширился ассортимент организмов для исследований, не ограничивающийся теперь традиционными лабораторными видами, такими как мушки Drosophila melanogaster. Бернард Додж из Ботанического сада Нью-Йорка, работавший с хлебной плесенью Neurospora crassa, даже встречался с Томасом Хантом Морганом в Колумбийском университете, чтобы сообщить ему, что плесень «даже лучше Drosophila». В 1928 году, когда Морган перешел работать в Калифорнийский технологический институт, он прихватил с собой образцы этой плесени.
Американские генетики Джордж Бидл и Эдуард Тейтем тоже разглядели потенциал Neurospora. Бидл, изучавший дрозофил в Калифорнийском технологическом институте в 1930-х, понял, что плесень идеально подойдет для исследования воздействия мутаций на метаболизм (биохимические реакции, поддерживающие жизнедеятельность организма). Обычно Neurospora производят питательные вещества из субстрата, но когда Бидл и Тейтем в 1941 году облучили плесень рентгеновскими лучами, часть организмов потеряла способность производить некоторые вещества, например витамин В6. Такие организмы росли только при добавлении недостающего вещества в субстрат. Оказалось, что гены участвуют в отдельных этапах метаболизма, видимо производя ферменты, катализирующие биохимические реакции. Так родилась гипотеза «один ген — один фермент».
Белки выполняют множество различных функций, помимо ферментативных. В 1960-х исследования генетического кода показали, что последовательность ДНК определяет последовательность аминокислот в белке — полипептидную цепь, — так что гипотеза трансформировалась в «один ген — один белок». Промежуточные этапы на пути от гена к белку были неплохо изучены: транскрипция (чтение и копирование инструкций ДНК в РНК), трансляция (расшифровка) и формирование белка. Но процесс экспрессии генов включает множество других этапов. Иногда молекула ДНК выделяется из хромосомы, а цепочка аминокислот становится белком, только приняв определенную форму. Особенно важны два этапа, поскольку они раскрывают главнейшие особенности структуры генома: существование генетических переключателей и способность генов разделяться на части.
Генетические переключатели
Откуда клетка знает, когда синтезировать белок? Как она определяет, какой белок нужно произвести и в каком количестве? Франсуа Жакоб и Жак Моно описали транскрипцию в общих чертах еще в 1961 году, исследуя комплекс из трех генов, отвечающих за переработку лактозы у кишечной палочки Escherichia coli.
Французские биологи показали, что специальные молекулы, которые сегодня называют «факторами транскрипции», присоединяются к цепочке ДНК рядом с генами, включая или выключая их. Для лактозного оперона «выключатель» активировался в зависимости от присутствия в клетке сахара — лактозы, но большинство генов управляется сигналами, которые заставляют факторы транскрипции присоединяться к ДНК. Поскольку РНК легко разрушается ферментами, Жакоб и Моно предположили, что она используется для передачи информации. Подобно энергосберегающим лампочкам, работающим по таймеру, ДНК-переключатели непосредственно контролируют синтез белков: белок производится, только пока ДНК копируется на РНК, после чего РНК разрушается.
«Биохимики считают генетический материал составной частью систем, с которыми они работают» Джордж Бидл
У эукариот транскрипция регулируется сложнее, а у бактерий нет ядра, так что транскрипция и трансляция у них происходят одновременно. У эукариот и генетических переключателей больше. Главный из них — промотор — расположен прямо перед началом участка транскрипции. Усилитель, расположенный дальше на хромосоме, приближается к промотору факторами транскрипции, которые присоединяются к ДНК и друг к другу. Факторы транскрипции заставляют РНК-полимеразу транскрибировать ДНК на мРНК.
Учитывая, что характеристики организма определяются белками, можно было бы предположить, что индивидуальные различия сводятся к различиям в ДНК. Но по крайней мере у человека это не так. При сравнении двух не родственных друг другу индивидов их ДНК оказывается идентичной на 99,9%. Так что же делает каждый организм уникальным? В 2003 году Институт исследований генома человека запустил проект ENCODE (Энциклопедию элементов ДНК) с целью определить все функциональные составляющие человеческого генома — и оказалось, что индивидуальные особенности во многом определяются генетическими переключателями. Изменения в ДНК влияют на способность факторов транскрипции присоединяться к определенным участкам ДНК, что, в свою очередь, влияет и на весь процесс транскрипции. Впрочем, активность генов чаще регулируется по принципу реостата, а не обычного переключателя с двумя положениями.
Сплайсинг
Если гены определяют характеристики организма, то, логически рассуждая, у более сложных организмов должно быть больше генов. В 1990-х многие ученые предсказывали, что у человека окажется порядка 100 000 генов. Но когда в 2001 году был опубликован первый вариант полного генома человека, оказалось, что их всего около 30 ООО, а по последним данным и вовсе 20 000 — не больше, чем у ленточного червя. Но в человеческом теле 37 триллионов клеток 200 разных видов, а нематоды длиной около миллиметра, и их в организме всего 1000 клеток.
Секрет сложности лежит в структуре самих генов. На протяжении большей части XX века ученые воспринимали гены в соответствии с предложенной Морганом аналогией, как «бусины на нитке», как отдельные фрагменты ДНК, лежащие на хромосоме. В 1977 году Ричард Робертс и Филлип Шарп, изучая аденовирусы, выяснили, что при переносе РНК на ДНК вируса длина молекулы ДНК оказалась во много раз больше РНК, а значит, гены состоят из отдельных частей. Исследование невирусных генов, таких как ген гемоглобина, подтвердило, что и у клеточных организмов встречаются расщепленные гены. Аналогия с бусами не подходит для хромосом, но может быть применима к кодирующей последовательностей ДНК, в которой гены разделены на «экзоны», перемежаемые длинными «интронами». В среднем гене у человека 10 интронов, но в самом длинном (кодирующем мышечный белок титин) целых 363 экзона. Интроны не кодируют никаких аминокислотных последовательностей и при транскрипции «вырезаются». Этот процесс осуществляют сплайсосомы, специальные структуры, содержащие несколько катализаторов-РНК и множество белков. Сплайсосома переходит от экзона к экзону, вырезает интрон и соединяет экзоны вместе.
Как монтажер фильма, вырезающий разные участки пленки и склеивающий их в нужном порядке, клетка может по-разному сочетать экзоны, приводя к появлению разных комбинаций мРНК, получая несколько белков из одного гена. Эта «нарезка» — сплайсинг — позволяет клетке производить удивительно разнообразные белки. Например, ген Dscam у плодовых мушек содержит 95 экзонов и может создавать более 38 000 белков. Это позволяет объяснить большую сложность организмов при одинаковом числе генов: у нематод всего около 20% генов кодируют больше одного белка, а у человека — более 90%.
«Молчащие» мутации
Генетический код избыточен - 64 трехбуквенных кодона транслируются в 20 аминокислот. Так как большинство аминокислот кодируются несколькими кодонами - например, ГГА и ГГГ кодируют глицин, - некоторые мутации не меняют аминокислотной последовательности. Раньше считалось, что в жизнедеятельности организма такие мутации никак не проявляются и, следовательно,
«не видны» естественному отбору. Но в 1980-х генетики, в том числе Ричард Грэнтем и Тошимики Икемура, заметили одну странность: некоторые кодоны оказывались «предпочтительней» других - хотя и ААЦ, и ААТ кодируют аспарагин, ААЦ встречается в ДНК Е. соli чаще. Эта «предвзятость» зависит от вида и коррелирует с уровнями тРНК, так что, возможно, такая «предвзятость» способствует трансляции? Обнаружилась она у множества видов, от дрожжей до дрозофил, но не у млекопитающих, хотя сравнение генов разных видов показало, что некоторые изменения ДНК «избегались» в процессе эволюции. Что же все это значит? Хотя некоторые кодоны и не важны с точки зрения синтеза аминокислот, мы теперь знаем, что они необходимы для правильной экспрессии генов. Среди прочего, с их помощью сплайсосомы определяют границы экзонов. «Молчащие» мутации могут даже вызывать болезни у человека, так что в итоге не такие уж они и молчащие.