Тайный язык жизни. Диалог с ученым о генах, геномах и наследственности - Константин Северинов

клетки нашего тела являются потомками одной-единственной оплодотворенной яйцеклетки, клетки разных тканей разительно отличаются друг от друга. Достаточно посмотреть в микроскоп, чтобы убедиться, что клетка кожи, которая называется фибробластом, клетка печени, которая называется гепатоцитом, или клетка нервной ткани, которая называется нейроном, выглядят совсем по-разному (рис. 5) и выполняют в нашем теле разные функции: кожа должна делать одно, печень – другое, а мозг – третье.

Рис. 5. Разнообразные клетки человеческого организма происходят из одной оплодотворенной яйцеклетки

Тем не менее, несмотря на то что клетки нашего тела очень разные с точки зрения внешнего вида и функций, которые они выполняют, информация, которая в них содержится, та же, что и в исходной яйцеклетке. Доказывается это опытами по клонированию многоклеточных организмов. Из клетки тела взрослого организма можно получить новый организм, который будет копией – клоном – того организма, из тела которого была взята исходная клетка. Первым успешным результатом такого опыта стало рождение овечки Долли (рис. 6). Затем подобное научились делать и с другими животными: кошками, собаками, лошадьми и т. д. Раз клонирование возможно, значит, информация, которая содержится в клетке взрослого организма, достаточна для того, чтобы воссоздать целый организм, состоящий из разнообразных клеток, которые образуют разные органы и ткани. Чтобы объяснить это удивительное наблюдение, нам потребуется перейти с уровня клеток на уровень молекул и понять, что такое генетическая информация и как она передается от материнских клеток дочерним.

Рис. 6. Принцип клонирования млекопитающего животного на примере первого успешного эксперимента – овечки Долли. Долли является клоном овцы-донора тканевых клеток

Про генетическую информацию удобно думать в терминах текста. Наша цивилизация основана на текстах: мы записываем их на разнообразных носителях и передаем друг другу. Мы способны использовать информацию, воспринимать ее в качестве инструкций и менять свое поведение согласно полученным инструкциям. Информация может и не использоваться, а просто храниться где-то в том или ином виде. Она также может копироваться, искажаться и теряться. В принципе, история человечества – это история производства, передачи, искажения и потери информации, своего рода долгая игра в испорченный телефон.

Что является материальным носителем информации, которая передается от материнской клетки дочерним? На чем она записана, как передается в череде клеточных поколений и каким образом определяет свойства клеток? Гипотезу о том, что от клетки к клетке передается нечто нематериальное, например некоторая общая идея о том, что данная клетка и все ее предки и потомки принадлежат к гордому сообществу синегнойных палочек, мы рассматривать не будем. Вместо этого предположим, что материальным носителем генетической информации является какое-то вещество, находящееся в каждой клетке. Каждая клетка должна получить это вещество от материнской клетки (предыдущего поколения), а затем передать его дочерним клеткам (следующему поколению) в неизменном или почти неизменном виде.

Поскольку клеточное деление всегда бинарно, мы можем с уверенностью утверждать, что, каким бы ни было вещество наследственной информации, оно должно каким-то образом удвоиться в материнской клетке, а затем поровну распределиться между двумя дочерними клетками. Мы также ожидаем, что наследственная информация, которую мы договорились рассматривать как текст, должна быть довольно обширной, ведь клетки очень сложно устроены, и было бы странно, если бы всё разнообразие функций даже самой простенькой бактерии можно было описать в двух словах. Любые тексты, большие и маленькие, составляются из стандартного набора повторяющихся знаков, например букв, иероглифов и т. д. Поэтому мы можем ожидать, что материальный носитель наследственной информации, независимо от его химической природы, должен быть какой-то полимерной молекулой, составленной из более простых частей. Эти части должны быть соединены друг с другом так, чтобы их порядок мог бы служить текстом-инструкцией. Вслед за Дарвином мы принимаем возможность происхождения одних видов животных из других за счет изменчивости и отбора. В противном случае нам следовало бы принять, что все существующие и существовавшие виды были созданы в готовом виде каким-то высшим существом. Получается, что генетические тексты, которые определяют свойства клеток, должны быть способны изменяться во времени, а точнее – при передаче из одного поколения в другое, и эти изменения должны быть наследуемыми.

Рис. 7. Структура двуцепочечной молекулы ДНК – сахарофосфатный остов и 4 нуклеотидных основания, образующие комплементарные пары

Материальная природа наследственной информации была раскрыта совсем недавно, в 1953 году, Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком на основе данных, полученных Розалинд Франклин и Морисом Уилкинсом. В полном соответствии с нашими предположениями носителем генетической информации оказалась полимерная молекула – дезоксирибонуклеиновая кислота, сокращенно – ДНК. Атомы, из которых состоит молекула ДНК, самые обычные: кислород, водород, углерод, фосфор и азот. То, как эти атомы соединены друг с другом, объясняет, как записывается генетическая информация и как она передается из поколения в поколение.

Молекула ДНК – цепочка, состоящая из четырех различных элементов (нуклеотидных оснований), сочлененных друг с другом через остатки фосфорной кислоты и дезоксирибозы – вещества, которое с химической точки зрения является сахаром. Нуклеотидные основания: аденин (А), гуанин (G), тимин (Т), цитозин (C) – расположены на монотонном сахарофосфатном остове, как ступеньки на лестнице (рис. 7). Длина сахарофосфатного остова в молекуле ДНК фактически неограниченна: известны непрерывные цепочки длиной в сотни миллионов оснований. Именно порядок оснований вдоль цепочки является генетической информацией, текстовой инструкцией, согласно которой клетка приобретает те или иные свойства.

Рис. 8. Алфавиты – английский, русский и «генетический»

В русском алфавите 33 буквы, в английском – 26 (рис. 8). Это не означает, что один из этих языков беднее другого. Более того, любую мысль на обоих языках можно выразить комбинациями всего лишь двух символов, точек и тире в азбуке Морзе или единиц и нулей в компьютерном коде. Так же и с ДНК: в достаточно длинной последовательности, составленной лишь из четырех «букв» ДНК – A, G, C и T, можно закодировать «текстовое сообщение» любой сложности.

Замечательно, что способ передачи из поколения в поколение информации, закодированной в виде линейной последовательности нуклеотидных оснований, тоже записан в структуре «самой главной молекулы» жизни. В клетках ДНК находится в двуцепочечном состоянии. Две цепочки связаны друг с другом по тому же принципу, как элементы пазла. Если фрагменты пазла плоские