Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Факторы транскрипции и решения, которые они обеспечивают, характерны для всей живой природы и незаменимы при кодировании сложного поведения простыми генами. Регуляторным областям – посадочным площадкам для факторов транскрипции в геноме – даже не обязательно примыкать к подконтрольным генам. Поскольку геном изгибается и перекручивается, транскрипционный фактор, связанный с участком ДНК, может влиять на экспрессию гена, который пространственно приближен, хотя на распрямленной ДНК находился бы далеко (см. рисунок)⁶.

Такие взаимоотношения генетического и физического расстояний открывают дополнительные возможности для регуляции генов и активно исследуются в современной биофизике.

Все механизмы, которые мы рассматривали, относились к регуляции транскрипции, то есть первого шага в экспрессии гена, когда закодированная в ДНК информация переписывается языком РНК. Клетки также могут регулировать трансляцию, или синтез белка по матрице РНК. Способов такой регуляции множество, включая управление скоростью деградации матричной РНК, изоляцию мРНК в особых зонах клетки и даже синтез молекул РНК, комплементарных мРНК, чтобы образовавшийся дуплекс не смог транслироваться в белок. Мы могли бы посвятить еще множество страниц изучению разнообразия инструментов генетической регуляции, но лучше сделаем шаг назад и оценим универсальность этих механизмов и некоторых структур, созданных природой для объединения отдельных инструментов в машины.

Портативный генетический контроль

Мы увидели, как lac-система применяет факторы транскрипции, чтобы включать или выключать гены в зависимости от стимулов окружающей среды, в частности от актуального выбора сахаров. E. coli и другие бактерии используют эту систему, чтобы привести свою биохимическую активность в соответствие с доступностью той или иной пищи. Ученый может без труда добавить лактозу в колбу с изголодавшимися по глюкозе бактериями, и это подтолкнет их к активации гена lacZ. Однако можно поступить похитрее, добавив в колбу реагент ИПТГ, который очень похож на аллолактозу, но при этом устойчив к расщеплению. Связавшись с ИПТГ, lac-репрессор не сможет удерживаться на операторе и подавлять транскрипцию, поэтому клетка начнет производить ферменты катаболизма лактозы, даже когда ее нет. Смысл этих странных манипуляций в том, чтобы создать управляемую систему для экспрессии нужных генов. Возможно, ученый заменил гены расщепления лактозы другими, сохранив те же регуляторные элементы, включая lac-промотор. Эти новые гены могут кодировать флуоресцентные белки, позволяющие наблюдать за бактерией, или какие-то полезные вещества вплоть до лекарств. Теперь ученый может контролировать экспрессию встроенных генов с помощью внешнего индуктора, ИПТГ.

Поразительный пример такого генетического контроля описан Хайди Скрабл и ее коллегами из Университета Вирджинии в статье 2001 года с бесхитростным названием «Система lac-оператор – lac-репрессор работает у мыши»⁷. Ученые использовали мышей-альбиносов с мутантным геном тирозиназы, необходимой для производства пигмента. Внедряя в мышиную ДНК рабочий ген тирозиназы и его промотор (см. рисунок), авторы получали животных с типичной для вида пигментацией – с коричневой шерстью и карими глазами. Одной из любопытнейших частей эксперимента была организация управления генами пигментации. Хотя у животных немало регуляторных систем, свойственной бактериям lac-системы они лишены. Тем не менее ученые создали мышь с сайтом связывания lac-репрессора между промотором и кодирующей частью гена тирозиназы. Поскольку у млекопитающих нет гена lac-репрессора, а значит, и белка, синтез тирозиназы не подавлялся, и пигментация у таких мышей оказывалась нормальной (второй ряд на рисунке).

Другой линии мышей, тоже несущей ген тирозиназы под контролем lac-оператора, внедрили и ген lac-репрессора с собственным промотором. Эти мыши производили белок-репрессор (темная фигура), подавлявший экспрессию гена тирозиназы и лишавший их пигментации (третий ряд). Когда таких мышей поили водой с примесью ИПТГ, у них появлялась коричневая окраска (четвертый ряд). Как и в случае с бактериями, ИПТГ не позволял lac-репрессору блокировать считывание зависимого гена.

Наряду с нашей почти непостижимой способностью менять цвет шерсти и глаз животного с помощью сахароподобной молекулы в питьевой воде, этот эксперимент подчеркнул универсальность механизмов жизни. Последний общий предок мышей и бактерий сгинул более 3 миллиардов лет назад. С тех пор эволюция его потомков шла разными путями, выдав нам два непохожих существа: одноклеточный микроорганизм и мохнатого зверька размером с ладонь. Тем не менее, если вставить регуляторный аппарат одного из них в геном другого, он работает без нареканий[27]. Как за полвека до этого прозорливо и емко отметил сам Моно, «что истинно для E. coli, истинно и для слонов»[28].