Ген. Очень личная история

Но если белок отличается единственной аминокислотой, то в гене должен быть изменен всего один триплет («один триплет кодирует одну аминокислоту»). Это предположение позже подтвердилось. Когда ген бета-глобина (β-цепи гемоглобина) нашли и «прочитали» у здоровых и больных серповидноклеточной анемией, у последних обнаружили замену всего одного триплета: ГАГ на ГТГ. Из-за этого в β-цепи одна аминокислота, глутамат, замещается другой, валином. Такое изменение приводит к тому, что цепи гемоглобина сворачиваются по-другому: вместо аккуратных, изящных структур, похожих на застежку, мутантные белки[556] сбиваются внутри эритроцитов в цепочки. Эти цепочки, особенно при дефиците кислорода, вырастают настолько длинными, что деформируют мембрану эритроцита, и нормальный диск постепенно превращается в искривленную серповидную клетку. Такие клетки уже не могут легко проскальзывать через капилляры и вены и в разных частях тела сбиваются в микросгустки, нарушая кровоток и вызывая приступы мучительной боли.

Этот недуг можно было бы назвать болезнью Руба Голдберга[557]. Изменение нуклеотидной последовательности гена вызывает изменение аминокислотной последовательности белка, что искажает его форму, что деформирует клетку, что закупоривает сосуды, что нарушает кровоток, что мучает и разрушает тело (которое построили гены). Ген, белок, функция, судьба – все выстраивается в единую цепь: одного химического изменения в одной паре оснований ДНК оказывается достаточно, чтобы «закодировать» радикальную перемену в человеческой судьбе.

Регуляция, репликация, рекомбинация

Совершенно необходимо выяснить, откуда взялась эта головная боль.

Жак Моно[558]

Как огромный кристалл может вырасти из нескольких, но определенным образом расположенных и соприкасающихся ключевых атомов, так и великая наука может родиться от соприкосновения нескольких ключевых концепций. До Ньютона многие поколения физиков пытались осмыслить такие явления, как сила, ускорение, масса, скорость. Гениальность Ньютона проявилась в том, что он четко определил эти понятия и связал их друг с другом общей системой уравнений, тем самым заложив основу новой науки – механики. Точно так же наука генетика родилась заново от слияния пары ключевых концепций:

Как и в случае с ньютоновской механикой, «центральная догма» генетики со временем была значительно доработана и переформулирована. Но на зарождающуюся науку она повлияла глубочайшим образом, заложив в ней верную систему координат. В 1909 году Иогансен, предлагая термин «ген», объявил его «свободным от любых гипотез». Однако к началу 1960-х ген уже успел сбросить с себя гнет гипотез, то есть вообще перестал быть гипотетическим. Генетики сумели описать поток информации от организма к организму и внутри организма – от шифра к форме. Механизм наследственности был раскрыт.

Но как поток биологической информации вышел на тот уровень сложности, который мы наблюдаем в живых системах? Взять для примера серповидноклеточную анемию. Уолтер Ноэль унаследовал две неправильные копии гена бета-глобина. Каждая клетка его тела несла две неправильные копии (потому что все клетки наследуют один и тот же геном). Но эта мутация повлияла только на красные кровяные клетки, никак не затронув клетки нервной системы, почек, печени или мышц. За счет чего гемоглобин «работает» избирательно в эритроцитах? Почему гемоглобина не было у Ноэля в глазах или коже, хотя их клетки – да и вообще все клетки человеческого тела – содержат идентичные копии одного и того же гена? Или, по выражению Томаса Моргана, как «свойства, заложенные в генах, проявляются[559] в [разных] клетках»?

В 1940 году эксперимент на простейшем микроскопическом организме – капсулообразной бактерии Escherichia coli, обитающей в кишечнике, – помог совершить первый прорыв в решении этого вопроса. E. coli может жить, питаясь двумя очень разными сахарами – глюкозой и лактозой. В среде с любым из них бактерия быстро делится, удваивая численность примерно каждые 20 минут. Кривая роста популяции в этом случае выглядит как экспонента: численность увеличивается в 2, 4, 8, 16 раз, пока культура сильно не помутнеет и запас сахара не истощится.