Ген. Очень личная история

Парди, Жакоб и Моно опубликовали свое монументальное исследование[564] лактозного оперона в 1959-м, через шесть лет после выхода статьи Уотсона и Крика о структуре ДНК. Их работа, получившая благодаря списку авторов название ПаЖаМо (в обиходе – «пижамная»), тут же стала классической. Ее значение для биологии было огромным. Статья ПаЖаМо утверждала, что гены – не пассивные шаблонные инструкции. Несмотря на то, что во всех клетках один и тот же набор генов – то есть их геномы идентичны, – выборочная активация или репрессия определенных групп генов позволяет отдельной клетке реагировать на условия среды. Геном – это активный план, способный реализовываться по частям – в определенное время и в зависимости от обстоятельств.

Белки в этом процессе работают как датчики для регулировки, как главные тумблеры: включают и выключают гены или даже сразу группы генов. Подобно партитуре завораживающе сложной симфонии, геном вмещает все инструкции по развитию и поддержанию жизни организмов. Но геномная «партитура» без белков безмолвна. Белки реализуют информацию в соответствии с актуальными задачами, активируя или подавляя считывание генов (некоторые регуляторные белки еще называют факторами транскрипции). Они дирижируют геномом, извлекают из него нужные музыкальные партии: на 14-й минуте побуждают вступить альт, арпеджио подчеркнуть звоном тарелок, крещендо – барабанной дробью. Концептуально это выглядит так:

Статья ПаЖаМо положила на лопатки главный вопрос генетики: как живой организм с фиксированным набором генов может так чутко реагировать на изменения в среде? Но та же статья предлагала ответ и на главный вопрос эмбриогенеза: как может организм с тысячами типов клеток развиться из эмбриона с тем же самым, одним-единственным набором генов? Регуляция генов – выборочное включение и выключение определенных генов в определенных клетках в определенное время – добавляет решающий уровень сложности вопросу о природе и реализации биологической информации.

Моно утверждал, что именно за счет генетической регуляции клетки способны выполнять свои уникальные во времени и пространстве функции. «Геном содержит не только набор шаблонов[565] [т. е. генов], но и координационную программу <…> и средства контроля ее выполнения», – заключили Моно и Жакоб. Красные кровяные клетки и клетки печени Уолтера Ноэля несли одинаковую генетическую информацию, но благодаря регуляции работы генов белок гемоглобин содержался лишь в эритроцитах. У гусеницы и бабочки геном в точности совпадает, но генетическая регуляция делает возможным превращение первой во вторую.

Эмбриогенез можно рассматривать как постепенное развертывание процессов генетической регуляции, начиная с одноклеточного зародыша. Это и есть «движение», которое Аристотель так живо представлял столетия назад. В одной известной байке средневекового космолога спрашивают, на чем держится Земля. «На черепахах», – отвечает он. «А что держит черепах?» – «Другие черепахи». – «А тех черепах?» – «Да как вы не поймете! – топает ногой космолог. – Черепахи там до самого низа!» Генетик мог бы описать развитие организма как последовательную индукцию (или репрессию) генов и генетических сетей. Гены кодируют белки, которые включают гены, которые кодируют белки, которые включают гены, – и так все время, «до самого низа» – самой первой клетки зародыша. Гены там с самого начала[566].

Регуляция экспрессии генов на уровне ДНК – их включение и выключение посредством белков – объясняет, как на основе одной неизменной копии генетической информации в клетке возникает вся комбинаторная сложность. Но этот процесс не может объяснить копирование самих генов: как гены реплицируются, когда клетка делится на две или когда формируются сперматозоиды и яйцеклетки?

Уотсон и Крик считали, что модель двойной спирали ДНК – с двумя противопоставленными друг другу комплементарными «инь-ян-цепями» – уже сама по себе указывала на механизм репликации. В последнем предложении статьи[567] 1953 года они заметили: «От нашего внимания не ускользнуло, что предполагаемое специфическое спаривание [ДНК] прямо указывает на возможный механизм копирования генетического материала». Их модель ДНК была не просто красивой картинкой: структура молекулы предсказывала самые важные детали ее функций. Уотсон и Крик предположили, что каждая цепь ДНК используется для создания собственной копии, и таким образом из изначальной двойной спирали получаются две таких же. В ходе репликации инь-ян-спираль расплетается. Цепь инь служит матрицей, или шаблоном, для сборки новой цепи ян, а ян – шаблоном для новой инь. В итоге получаются уже две одинаковых инь-ян-пары (в 1958 году Мэттью Мезельсон и Франклин Сталь подтвердили этот механизм).