Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Регуляция активности генов позволяет отдельной клетке создать осциллятор исключительно из ее собственных компонентов. Здесь мы вынуждены уйти в некоторую абстракцию, поскольку реальные клеточные осцилляторы устроены сложно и задействуют множество генов. Для иллюстрации общего принципа можно обойтись и одним.

Простейший осциллятор состоит из гена, который репрессирует сам себя, – точнее, гена, кодирующего белок, который подавляет экспрессию своего же гена. На первый взгляд это кажется нелепым: как такой ген вообще будет работать? Разгадка здесь в том, что и на экспрессию, и на репрессию нужно время. Как мы помним, экспрессия гена предполагает транскрипцию участка ДНК в молекулу РНК, а затем (для белок-кодирующих генов) трансляцию этой РНК в цепочку аминокислот – белок. Если формируется белок-репрессор, то ему предстоит какое-то время поблуждать, прежде чем он наткнется на промоторную область подавляемого гена. Даже после того, как репрессор свяжется с ДНК и блокирует работу РНК-полимеразы, ген инактивируется не сразу. Уже произведенные копии РНК могут и дальше транслироваться, а синтезированные белки могут и дальше заниматься своими делами. Суть в том, что экспрессия может какое-то время нарастать, и ген еще остается активным, хотя и репрессирует сам себя. Чтобы лучше понять, как колеблется его активность, нам нужно привлечь еще один факт о белках: все белки со временем деградируют, то есть разрушаются.

Распад факторов транскрипции сильно влияет на генетическую регуляцию. Фундаментальная истина физики молекулярного взаимодействия состоит в том, что повышение концентрации молекул – например, нашего репрессора – приводит к повышению вероятности их связывания с чем-либо, к чему у них есть сродство, – например, с нашим промотором. Верно и обратное: когда свободные белки-репрессоры деградируют и их концентрация снижается, растет вероятность того, что связанных с ДНК репрессоров будет все меньше и они перестанут подавлять транскрипцию. Тогда ген сможет экспрессироваться.

Сложив все факты воедино, получим вот что. В нашей схеме ген изначально экспрессировался, медленно наращивая концентрацию собственных белков-репрессоров и подавляя тем самым дальнейший их синтез. Но готовые белки деградируют, и в конце концов их остается так мало, что экспрессия гена возобновляется – начинается новый цикл. Так мы получаем простейший осциллятор.

Впрочем, этот осциллятор не слишком хорош, и мне не известен ни один организм, который пользуется часами на базе единственного гена. Настроить хронометраж в такой системе очень сложно, и ее периодичность не будет точна. Оба свойства зависят от скорости деградации белков, которая в клетке определяется множеством факторов за рамками полномочий этого гена и его саморепрессии.

В более удачном механизме работают три гена – A, B и C: A репрессирует B, B репрессирует C, а C репрессирует А. Я не стану описывать схему детально, но она тоже осциллирующая. Количество каждого из белков периодически увеличивается и уменьшается. Частота колебаний зависит от сродства репрессоров к ДНК. Мы или клетки способны настраивать периодичность циклов с помощью репрессоров, которые сильнее или слабее связываются с ДНК. В природе эта схема A-B-C, называемая репрессилятором, как обособленная единица не встречается, зато ее одной из первых искусственно ввели в живые клетки и проверили: к началу XXI века с этой задачей справились биофизики Майкл Эловиц и Станислас Лейблер⁹. Ученые внедрили такой осциллятор в геном бактерии E. coli и сопрягли его с геном зеленого флуоресцентного белка, получив в результате клетки, которые ритмично переключались между флуоресцирующим и обычным состояниями. С тех пор в клетках испробовали множество других точных и тонко настраиваемых осцилляторов¹⁰.

Хотя автономного природного репрессилятора пока не нашли, в составе разных регуляторных аппаратов подобные схемы встречаются часто. Так, 24-часовой осциллятор, контролирующий циркадный ритм человека, состоит из нескольких генов, связанных пересекающимися петлями обратной связи, в том числе репрессиляторного типа. Часы на основе такого механизма отличаются надежностью, но при этом поддаются обучению с помощью внешних стимулов вроде солнечного света, провоцирующих химические изменения в нашем организме. Обучение происходит не сразу – об этом вам скажет любой, кто испытывал джетлаг[29]. Порой нам хочется перевести свои часы быстрее, чем позволяет организм. Но наш циркадный ритм сформировался в мире, где не было высокоскоростных воздушных путешествий.