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

и имеют в определенных местах выступы или, наоборот, выемки, то два подходящих друг другу элемента могут быть довольно прочно соединены друг с другом. Атомы в нуклеотидных основаниях связаны друг с другом таким образом, что образуются жесткие плоские структуры определенной формы (рис. 8). На внешнем периметре этих структур фиксированы атомы, имеющие положительный или отрицательный заряд. Подобно подходящим друг другу фрагментам пазла, положительно и отрицательно заряженные атомы одних оснований способны притягиваться к, соответственно, отрицательно и положительно заряженным атомам других. Ученые называют такие взаимодействия «комплементарными», то есть «подходящими» друг другу. Правила комплементарного взаимодействия оснований ДНК очень простые: аденин (А) в одной цепочке ДНК лучше всего подходит к тимидину (Т) и поэтому способен образовывать устойчивую пару с этим основанием в другой цепи, а гуанин (G) способен образовывать пару с цитозином (C) (рис. 7). Пары А-G, А-C, G-Т или T-C гораздо менее прочные, потому что элементы генетического пазла не подходят друг другу или даже отталкиваются, если друг напротив друга оказываются одинаково заряженные атомы. Таким образом, знаменитая двойная спираль образуется в результате комплементарного взаимодействия оснований в отдельных цепочках ДНК.

То, что молекула ДНК имеет спиралевидную форму, связано со свойствами атомов, из которых состоят обе цепочки, и совершенно неважно для осуществления ее биологической функции. Но то, что молекула ДНК «двойная», принципиально важно для понимания того, как наследственная информация передается из поколения в поколение. В двуцепочечной молекуле ДНК порядок оснований в одной цепочке однозначно определяет их порядок в другой цепочке согласно правилу комплементарности. Две цепочки ДНК связаны друг с другом как две половинки застежки молнии. Взаимодействия между отдельными крючочками и петельками молнии или в нашем случае комплементарными основаниями ДНК слабые, но так как таких взаимодействий много, молния остается закрытой, а ДНК в нормальных физиологических условиях – двуцепочечной. Однако молния может быть, при необходимости, раскрыта, а цепочки ДНК – разделены. Например, цепочки ДНК можно легко разделить, подняв температуру до 80–90 ºС. При понижении температуры комплементарные цепочки снова «найдут» друг друга и двуцепочечная молекула восстановится. Эти свойства ДНК используются при проведении цепной полимеразной реакции для диагностики инфекционных заболеваний.

Рис. 9. Репликация ДНК: разделение цепей родительской двуцепочечной молекулы ДНК и синтез новых цепей на матрицах разделенных цепочек

В клетках цепи ДНК могут разделяться и без повышения температуры, образуя одноцепочечные участки, а нуклеотидные основания встречаются не только как составные части длинных молекул ДНК, но и как отдельные молекулярные «буквы». Специальные белки-катализаторы способны выкладывать отдельные буквы А, G, Т и C по матрице одноцепочечной ДНК в порядке, определенном правилами комплементарности, а затем соединять их друг с другом с образованием сахарофосфатного остова (рис. 9). Ученые называют такой процесс копирования молекул ДНК «репликацией». Детали репликации очень сложны, и изучает их наука биохимия. Для нас же важен принцип: цепи молекулы ДНК могут быть разделены и по каждой цепочке, как по матрице, может быть достроена комплементарная цепь. В результате из одной материнской молекулы образуются две дочерние молекулы, которые идентичны материнской, ведь последовательности вновь построенных цепей однозначно определяются последовательностями цепей родительской молекулы!

Кажется, все встало на свои места. Генетическая информация – это текст, состоящий из определенной последовательности четырех нуклеотидных оснований в цепочке ДНК (или пар оснований, если мы говорим о двуцепочечной ДНК). Этот текст определяет природу и свойства клеток и организмов, которые состоят из этих клеток (заметьте, что из последней идеи следует, что последовательности ДНК в клетках разных организмов должны быть разные!). Перед делением материнской клетки в ней происходит репликация ДНК с образованием двух копий исходной молекулы. Эти копии распределяются в дочерние клетки. Так как последовательности оснований в новых молекулах ДНК такие же, как в материнской, то и дочерние клетки оказываются такими же, как материнская. Мы можем с чувством глубокого удовлетворения повторить вслед за первооткрывателями, что «От нашего внимания не ускользнул тот факт, что предложенная нами структура молекулы ДНК объясняет природу наследственности».

Нам также понятно, почему работают эксперименты по клонированию животных (рис. 6). В ходе этих экспериментов из клетки клонируемого животного (например, «генетического оригинала» овечки Долли) извлекается ядро, в котором содержится ДНК. Это ядро переносится в неоплодотворенную яйцеклетку другой овцы, из которой ядро (а, значит, и ДНК) предварительно удалено. Полученная химерная яйцеклетка содержит ДНК клонируемого животного. Такая яйцеклетка подсаживается суррогатной матери, и рождается ягненок (Долли), все клетки которого происходят из химерной яйцеклетки. Значит, клетки Долли будут содержать реплицированные копии ДНК клонируемого животного, а сама Долли будет генетически неотличима от оригинала, то есть будет его клоном.

Если в последовательности ДНК записана информация о том, какой должна быть клетка, содержащая эту ДНК, то возникает вопрос: как эта информация используется для придания клетке нужных свойств? Представьте себе большую поваренную книгу, в которой хранятся тысячи рецептов. Если наша книга просто пылится на полке, информация, которая в ней хранится, никем не используется – она мертва. Но если кто-то прочтет тот или иной рецепт или набор рецептов и, следуя полученной информации, предпримет какие-то действия, возникнет блюдо, описанное в книге. Информация, хранящаяся в ДНК, организована в отдельные «рецепты», которые называют генами. Так же, как с кухонными рецептами, гены могут сильно отличаться по длине: есть коротенькие, длиной в несколько десятков букв (оснований) ДНК, а есть гиганты, состоящие из миллионов букв А, G, Т и C, расположенных в определенном порядке.

Количество генов у разных организмов различно. У человека и других млекопитающих около 20 тысяч различных генов. У более просто устроенных бактерий и архей – как правило, от 3 до 5 тысяч генов. Вирусы, которые являются внутриклеточными паразитами и полагаются на ресурсы зараженных клеток для самовоспроизводства, ограничиваются несколькими сотнями, а иногда даже десятками генов.

Результатом «молекулярной кулинарии», реализации записанного в гене рецепта, являются белки – их часто называют продуктами генов. Так же, как разные блюда или «продукты рецептов» обладают совершенно разными свойствами, разные белки выполняют совершено разные функции в клетке или организме. Структурные белки создают клеточный скелет, который позволяет клеткам принимать определенную форму; механические белки, например актин и миозин, ответственны за сокращение мышц; белки-насосы располагаются в клеточной мембране и переносят питательные вещества и необходимые ионы внутрь клетки, а продукты ее