РНК-матюраза – белок-самоубийца, он рубит сук, на котором сидит. Это фермент сплэйсинга, вырезающий интроны из первичного транскрипта, уничтожающий свою матрицу. После того как интроны удалены, начинается синтез цитохрома b. Но век фермента в клетке недолог. Когда концентрация матюразы упадет до определенного уровня, снова накапливается первичный транскрипт, из которого не удаляются интроны, и снова начинается синтез РНК-матюразы. Короче, получается гибкая система авторегуляции по принципу отрицательной обратной связи.
Не все еще ясно в этой схеме. Все ли интроны участвуют в подобной регуляции или же у них есть и другие функции? Насколько широко распространено это явление? Пока не знаем. Но лед уже тронулся: мало кто сейчас будет утверждать, что интроны в синтезе белка не участвуют.
Аксиома третья
Опечатки генетических программ. Редкая книга обходится без опечаток. В издательских кругах бытует характерный исторический анекдот. В 1888 году известному издателю А. С. Суворину удалось добиться у царской цензуры разрешения на издание радищевского «Путешествия из Петербурга в Москву» тиражом… в сто экземпляров. Издательская культура была у Суворина на большой высоте, а в этом исключительном случае он даже заключил пари, что издаст книгу без единой опечатки. Книга вышла – и на обложке стояло: «Сочинение А. И. Радищева» (напомню, что великого демократа звали Александром Николаевичем).
Для чего я рассказал эту историю? Мы уже убедились, что в основе жизни лежит матричное копирование, в принципе аналогичное тому же книгопечатанию. Ясно, что в каналах передачи информации от ДНК к признакам организма и от ДНК родителей к ДНК потомков должен существовать какой-то шум – те же опечатки, только на молекулярном уровне. Каналов без шума не бывает, иное дело, что шум может быть пренебрежимо малым.
Рассмотрим сначала шумы в канале ДНК – ДНК, приводящие к изменению генетических программ. В первую очередь речь у нас пойдет об упаковке генетического материала.
ДНК или РНК простейших вирусов может представлять лишь цепочку нуклеотидов, ничем не защищенную от внешних воздействий (например, от действия ферментов нуклеаз, расщепляющих нуклеиновые кислоты). Однако у сложных вирусов она заключена в белковый защитный чехол.
ДНК бактерий также единичная последовательность. Концы ее стыкуются, и образуется кольцо, похожее на тысячекратно перекрученную ленту Мёбиуса, хорошо известную любителям математики. Ясно что при репликации кольцо это должно разрываться, иначе дочерняя последовательность будет соединена с материнской, как звенья в цепи. К бактериальной ДНК могут присоединиться молекулы белков, но в общем-то она «голая».
Иное дело у высших организмов с оформленным клеточным ядром. Прежде всего генетическая программа у них – многотомное издание. Если генетическая программа бактерии закодирована в одной молекуле ДНК, одной двойной спирали, то в ядре высших организмов – эукариот – их может быть несколько: от двух у лошадиной аскариды до нескольких тысяч у некоторых одноклеточных организмов – радиолярий и ряда растений. Такие тома называют хромосомами. Считается, что каждая хромосома содержит одну молекулу ДНК, но крайней мере у животных. Однако есть сильные доводы в пользу того, что у многих высших растений в хромосоме может быть несколько десятков, а то и сотня идентичных копий. ДНК в хромосомах чрезвычайно хитроумно уложена в комплексе со специальными ядерными белками гистонами. Иначе нельзя упаковать в микронные объемы молекулы длиной во много десятков сантиметров.
Наблюдая за хромосомами во время деления клеток, исследователи обнаружили много форм изменения наследственных программ.
Читателям должно быть известно, что при образовании половых клеток хромосомы не делятся, а расходятся в дочерние клетки, так что получаются гаметы с половинным (гаплоидным) набором хромосом. У человека, например, в нормальных клетках 46 хромосом, а в яйцеклетках и спермиях – 23. При слиянии гамет диплоидный набор восстанавливается.
Но так бывает не всегда. Порой механизм, растягивающий хромосомы по дочерним клеткам, не срабатывает. Одна гамета получается совсем без ДНК, а другая с двойным ее набором. Так возникают полиплоидные клетки и организмы; о часто это наблюдается у растений.
Иногда же в одну клетку попадает лишняя хромосома, а в другой обнаруживается нехватка. Такие явления называются анеуплоидией.
При всех этих перестройках генетическая информация, заключенная в хромосомах, не изменяется. Меняется только ее количество. Полиплоидные клетки, например, могут иметь тройной, четверной и т. д. – до тысячи и более раз! – набор генов.
Анеуплоидный геном – это многотомное, но разрозненное издание. В одной клетке не хватает «тома» инструкций (обычно такие случаи у высших организмов летальны) в другой два одинаковых. Организмы с лишней хромосомой (трисомики) также часто гибнут на ранних стадиях развития или же развиваются с серьезными дефектами. Много таких случаев описано относительно человека.
Иногда перестройка может привести к тому, что хромосома распадается на части. Судьба частей различна: они могут потеряться (делеция), снова воссоединиться в составе прежней хромосомы (иногда в перевернутом виде – инверсия) или же присоединиться к другой (транслокация). Все перестройки, как правило, для организма небезразличны.
Все упоминавшиеся изменения хромосом начинаются с разрыва нуклеотидной цепи ДНК – знаменитой двойной спирали. Поэтому мы должны от тех построек, которые видны в оптический микроскоп, перейти на молекулярный уровень.
Насколько прочны фосфодиэфирные связи, скрепляющие полимерную ДНК, и насколько устойчивы пуриновые и пиримидиновые основания в ДНК к внешним воздействиям?
Это удалось установить с достаточной точностью. Чтобы вызвать единичную мутацию – наследственное изменение генетической программы, – требуется подвести каким-то способом к ДНК энергию в 2,5—3 электронвольта (эВ). Электронвольт – единица энергии: такую энергию приобретает электрон, ускоряемый напряжением в 1 вольт.
Много это или мало? Ведь ДНК в клетке находится в окружении молекул, движущихся с весьма высокой скоростью. Оказывается, что средняя энергия теплового движения молекул при тех температурах, когда жизнь возможна, составляет примерно 1/40 эВ. Иными словами, при физиологических температурах ДНК оказывается достаточно стабильной. Но проблема эта сложнее, чем кажется на первый взгляд.
Не следует забывать, что скорости молекул при хаотическом тепловом движении неодинаковы. Убедиться в этом нетрудно. В 1827 году шотландский ботаник Р. Броун, разглядывая в микроскоп каплю воды с пыльцой растений, обнаружил, что взвешенные в жидкости пыльцевые зерна микронного размера не остаются на месте, а хаотически движутся как бы непрерывно подталкиваемые беспорядочными ударами чего-то невидимого.
Достойно удивления, что Броуново движение не привлекало внимания физиков (может быть, потому, что открыл его ботаник?) до начала нашего века, до исследований Альберта Эйнштейна, польского физика Мариана Смолуховского и французского физика Жана Перрена. А ведь из него не только вытекала непреложность существования молекул, но и возможность оценить их скорости и размеры!
Что происходит с частицей при броуновском движении? Со всех сторон она подвергается ударам молекул. Если она имеет достаточно большие размеры, то удары со всех сторон оказываются скомпенсированными – частица остается на месте. Но если размер ее, допустим, 10-5см, то весьма вероятно, что с какой-либо стороны суммарный импульс будет больше, и частица сдвинется в непредсказуемую сторону.
Иначе и быть не может: ведь скорости молекул разные и флуктуации в их распределении неизбежны. Именно от этих флуктуаций зависит голубой цвет ясного неба, так как на них сильнее рассеиваются синие лучи. Будь скорости всех молекул одинаковыми, солнечный свет не рассеивался бы и солнце светило бы в черном небе, как в космическом пространстве.