Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК

Жакоб и Моно показали, что распространенная бактерия Escherichia coli может расщеплять два вида сахаров – глюкозу и лактозу. Бактериальный геном достаточно прост. Длинные последовательности ДНК содержат гены, в которых записана необходимая информация для синтеза белков, расщепляющих каждый из двух сахаров. Если в среде много глюкозы и мало лактозы, геном производит белки, расщепляющие глюкозу. В обратной ситуации синтезируется белок, расщепляющий лактозу. Хотя эта картина кажется простой и очевидной, тем не менее она стала основанием для революции в биологии.

Ученые обнаружили в бактериальном геноме две составляющие. Во-первых, есть гены, содержащие информацию о структуре двух белков, расщепляющих два вида сахаров. Это последовательности букв А, Т, G и С, которые транслируются в последовательности аминокислот в молекуле каждого белка. На концах этих последовательностей есть другие короткие последовательности букв А, Т, G и С, которые ничего не кодируют. Когда с этими фрагментами ДНК связывается другая молекула, происходит включение или выключение гена. Это второй компонент генома. Эти короткие фрагменты ДНК можно назвать молекулярными переключателями, которые контролируют активацию гена и запуск синтеза белка. В геноме бактерий гены и переключатели, контролирующие их активность, находятся в непосредственной близости друг от друга. В зависимости от того, какой сахар присутствует в среде, происходит молекулярная реакция, контролирующая включение того или иного гена и синтез соответствующего белка.

Жакоб и Моно выяснили, что бактериальный геном – это биологический механизм, обеспечивающий синтез белков в правильном месте и в правильное время. Работа этого механизма основана на двух компонентах – генах, кодирующих белки, и переключателях, определяющих место и время активации этих генов. За данную работу в 1965 году трое ученых были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине[11].

За годы, прошедшие после награждения Жакоба и Моно Нобелевской премией, было показано, что такая двухуровневая организация процесса синтеза белка является общим правилом для геномов всех организмов. Животные, растения и грибы тоже имеют гены, кодирующие белки, и молекулярные переключатели, включающие и выключающие эти гены.

Это открытие помогает понять, что же определяет различия между клетками, тканями и органами. Тело человека – высокоорганизованный комплекс, состоящий из четырех триллионов клеток двухсот разных видов, объединенных в ткани, такие как кости, головной мозг, печень и скелет. Хрящевые ткани состоят из клеток, производящих коллаген, протеогликаны и другие компоненты, которые в сочетании с водой и минеральными компонентами обеспечивают хрящам гибкость и прочность. В нервных клетках образуется совсем не такое сочетание белков, как в клетках хрящевой, мышечной или костной ткани.

При включении генетического переключателя, которое обычно происходит в результате присоединения белков, активируется соответствующий ген, и начинается синтез белка

Вот в чем заключается сложность: все клетки тела содержат одну и ту же последовательность ДНК оплодотворенной яйцеклетки, из которой они произошли. ДНК в нервных клетках идентична ДНК в клетках хрящевой, мышечной или костной ткани. Во всех клетках тела содержится один и тот же набор генов. Но если во всех клетках содержатся одинаковые гены, следовательно, различия между разными клетками определяются тем, какие гены в этих клетках активно производят белки. Переключатели такого типа, какие были открыты Жакобом и Моно, стали ключевым элементом в понимании того, как геном создает разные клетки, ткани и тела.

Если геном – это рецепт, тогда гены – ингредиенты, а переключатели – инструкции, определяющие тип ингредиентов и порядок их добавления. Поскольку только 2 % генома соответствует генам белков, оставшиеся 98 % несут в себе информацию относительно того, какие гены и в какой момент должны проявлять активность.

Но как на основе инструкций генома формируется тело? И как происходят изменения генома, приводящие к образованию новых видов в истории жизни? В период работы над проектом “Геном человека” никто еще не подозревал, что небольшое количество генов и их разреженность в геноме – это лишь вершина айсберга.

Пальцы указывают путь

Когда-то моряки думали, что кошки с шестью пальцами приносят кораблю удачу. Считалось, что кошки с широкими лапами лучше ловят мышей, поскольку лучше держат равновесие в море. Капитан Стэнли Декстер разводил таких кошек и подарил одного котенка своему другу Эрнесту Хемингуэю, который в то время жил в Ки-Уэсте. Этот котенок Снежок стал родоначальником целой линии шестипалых котов, до сих пор живущих в доме Хемингуэя. Но эти кошки не только привлекают туристов; они сыграли роль в формировании новой концепции функционирования генома.