Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов

Мутации возникают, когда фрагмент ДНК гена изменяется, перестраивается или удаляется. Это обычно происходит вследствие повреждения клетки (например, в результате воздействия УФ-излучения или химических веществ) или случайных ошибок, которые могут возникать в процессах репликации ДНК и деления клетки. У клетки есть тонко организованные механизмы обнаружения и исправления таких ошибок, поэтому те случаются довольно редко. Некоторые полагают, что в среднем при каждом делении клетки имеют место лишь три небольшие мутации: впечатляюще низкая частота ошибок – примерно одна на миллиард скопированных «букв» ДНК. Но если мутации случились, они могут приводить к появлению различных модификаций генов, производящих измененные белки, а те, в свою очередь, могут изменять биологию клеток, которые их наследуют.

Ряд мутаций приводит к нововведениям, изменяя характер работы гена, что порой оказывается полезным, но во многих случаях мутации препятствуют гену в выполнении своей функции. Иной раз изменение лишь одной «буквы» ДНК способно оказать серьезное влияние. Например, если ребенок получает в наследство две копии определенного варианта гена бета-глобина с изменением лишь одного нуклеотида, образуемый у него пигмент гемоглобин утратит часть своей эффективности и разовьется заболевание крови, называющееся серповидно-клеточной анемией.

Чтобы выяснить, как клетки делящихся дрож жей управляют клеточным циклом, я занялся поиском штаммов дрожжей, неспособных правильно делиться. Если бы удалось найти такие мутанты, мы смогли бы идентифицировать гены, участвующие в клеточном цикле. Мы с моими коллегами по лаборатории начали поиск мутантов делящихся дрожжей, не прошедших через цикл деления, но все равно продолжавших расти. Эти клетки довольно несложно обнаружить под микроскопом, поскольку их рост продолжается без всякого деления и таким образом они становятся необычно большими. За многие годы, фактически за четыре десятилетия, в лаборатории было выявлено свыше 500 таких штаммов дрожжей с крупными клетками, и, разумеется, все они содержали мутации, блокировавшие гены, которые требовались для определенных событий в клеточном цикле. Это значит, что имеется по крайней мере 500 генов, участвующих в клеточном цикле, то есть около 10 % от общего числа в 5000 генов, выявленных в делящихся дрожжах.

Это был шаг вперед, поскольку данные гены явно требуются для завершения клеточного цикла дрожжевой клетки. Но они не обязательно им управляют. Если задуматься, как функционирует автомобиль, мы увидим, что многие компоненты при выходе из строя приведут к остановке машины: к примеру, колеса, мосты, шасси, двигатель. Все они, разумеется, важны, но ни один из них не используется водителем для регулирования скорости движения. Возвращаясь к клеточному циклу, что нам действительно нужно выяснить, так это где здесь акселератор, коробка передач и тормоза – другими словами, гены, управляющие скоростью, с которой клетки проходят клеточный цикл.

На практике я обнаружил первый из управляющих клеточным циклом генов по чистой случайности. Я очень хорошо помню, как в 1974 г. при помощи микроскопа кропотливо искал новые и новые колонии ненормально разросшихся мутантных дрожжевых клеток – то еще занятие, ведь хоть какой-то интерес представляла лишь примерно 1 из 10 000 просматриваемых колоний. На то, чтобы обнаружить мутантов, уходило целое утро или день, а в некоторые дни я вообще ничего не находил. И вот я обратил внимание на колонию, которая состояла из необычно маленьких клеток. Сначала я решил, что это бактерии, загрязнившие чашку Петри, – довольно распространенный повод, чтобы расстроиться. Но, вглядевшись, понял, что это может быть нечто любопытное. Может, это дрожжевые мутанты, которые «промчались» через клеточный цикл, не успев вырасти, и поэтому разделились, не достигнув нормальных размеров?

Эта догадка оказалась верной: мутантные клетки действительно содержали измененный ген, управляющий скоростью, с какой клетка претерпевает митоз и деление и завершает, таким образом, свой клеточный цикл. Эта была та самая разновидность гена, которую я мечтал найти. Действительно, эти клетки напоминали автомашины с неисправным акселератором, из-за чего машина, а в данном случае клеточный цикл двигался быстрее. Я назвал эти штаммы-коротыши wee-мутантами, потому что они были выделены в Эдинбурге, а в Шотландии слово wee означает маленький. Следует признать, что за полстолетия шутки выдыхаются!

Оказалось, что измененный ген в этом первом wee-мутанте действует вместе с другим, еще более важным геном, находящимся в самом центре управления клеточным циклом.