Ген. Очень личная история

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».