Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов

К концу XX в. можно было секвенировать целые геномы, то есть полный набор генов, или генетического материала, наличествующего в клетке или в организме, в том числе в нашем собственном. К 2003 г. был секвенирован весь человеческий геном, состоящий из 3 миллиардов «букв» ДНК. Это был огромный прорыв в биологии и медицине, и прогресс с тех пор не замедлялся. Если секвенирование того первого генома заняло десятилетие и обошлось более чем в два миллиарда фунтов стерлингов, современные секвенаторы могут делать то же самое за день-два и всего за несколько сотен фунтов.

Самый важный результат первоначального проекта по изучению человеческого генома представлял собой перечень из порядка 22 000 генов, кодирующих белки, общие для всех людей, лежащие в основе нашей наследственности. Они определяют как наши общие признаки, так и наследуемые характеристики, наделяющие каждого из нас неповторимой индивидуальностью. Самих по себе этих знаний недостаточно, чтобы объяснить, что значит быть человеком, но без них наше понимание всегда будет неполным. В общих чертах это напоминает ситуацию, когда у вас имеется список действующих в пьесе лиц, что можно назвать необходимой отправной точкой, но следующим и более трудным шагом станет написание самого текста и поиск актеров, которые воплотят персонажей на сцене.

Процесс деления клеток играет жизненно важную роль в установлении взаимосвязи между понятиями «клетка» и «ген». При каждом делении клетки все гены на всех хромосомах внутри данной клетки сначала должны копироваться и потом поровну разделяться между двумя дочерними клетками. Таким образом, копирование генов и деление клетки должны тщательно координироваться. В противном случае мы получим клетки, которые умрут либо будут давать сбои из-за нехватки полного набора необходимых им генетических инструкций. Координация обеспечивается благодаря клеточному циклу – процессу управления рождением каждой новой клетки.

Создание копии ДНК (репликация) происходит на ранней стадии клеточного цикла во время синтеза ДНК, называющейся S-фазой, а позже происходит разделение этих скопированных хромосом в ходе процесса, называемого митозом. Этим обеспечивается наличие полных геномов у двух образованных при делении новых клеток. Эти события клеточного цикла иллюстрируют важный аспект жизни: все они основаны на химических реакциях, пусть даже и очень сложных. Сами по себе эти реакции не могут рассматриваться как источники жизни. Жизнь начинает возникать только тогда, когда все необходимые для создания новой клетки сотни реакций вместе работают над формированием цельной системы, выполняющей определенную задачу. В этом и состоит значимость клеточного цикла для клетки: он «оживляет» химию репликации ДНК и этим самым выполняет свое предназначение – воспроизведение клетки.

Я стал осознавать фундаментальное значение клеточного цикла для понимания жизни в двадцать лет с небольшим, будучи аспирантом Университета Восточной Англии в Норидже и находясь в поисках исследовательского проекта, в котором мог бы продолжить научную карьеру. Но я никак не думал, что научно-исследовательский проект, к которому я приступил в 1970-е гг., станет предметом научной страсти в течение большей части моей жизни.

Как и многие другие процессы в жизни клеток, клеточный цикл запускается генами и производимыми ими белками. На протяжении многих лет во главу угла работы моей лаборатории ставилась задача выявления конкретных генов, запускающих клеточный цикл, и того, как они действуют. В исследовании мы использовали делящиеся дрожжи (разновидность дрожжей, употребляемых в пивоварении в Восточной Африке), поскольку, несмотря на сравнительную простоту, их клеточный цикл весьма схож с клеточными циклами, наблюдаемыми во многих других живых организмах, включая намного бóльшие многоклеточные организмы типа нас, людей. Мы задались целью поиска штаммов дрожжей, содержащих мутантные формы участвующих в клеточном процессе генов.

Генетики особым образом используют слово мутант. Мутированный ген не обязательно аномален или испорчен; просто имеется в виду иной вариант гена. Мендель скрещивал разные виды растений, например с пурпурными или белыми цветками, которые отличались друг от друга вследствие мутаций в гене, существенных для определения цвета. Следуя той же логике, люди с глазами разного цвета могут рассматриваться как отдельные мутантные разновидности человека. Зачастую вопрос о том, какой из этих вариантов «нормальный», лишен всякого смысла.