В «теле» клетки (цитоплазме[41]) находятся молекулы РНК двух других классов, и они оба играют ключевую роль в сборке молекулы белка, кодируемого геном. Одни из них – рибосомные РНК, или рРНК. Они входят в состав клеточной структуры под названием рибосома[42]. Рибосому можно сравнить с конвейером, на котором происходит сборка белка из аминокислот. Другие находятся в «теле» клетки и называются транспортные РНК, или тРНК. Эти молекулы устроены так: с одной стороны находятся три азотистых основания, а с другой – участок для присоединения аминокислоты. Эти три основания на молекуле тРНК могут связываться с парными им основаниями молекулы мРНК. Каждое из возможных 64 сочетаний трех букв триплетного кода (генетического кода[43]) кодирует положение в белке одной из 20 аминокислот, либо «знаки препинания», означающие сигнал начала и окончания биосинтеза белка. В процессе сборки белка на рибосоме в одном «окошке» происходит присоединение определенной молекулы тРНК, несущей на себе новую аминокислоту, к молекуле мРНК. В другом «окошке» сидит тРНК с уже синтезированным обрывком белка. На него перекидывается аминокислота из первого «окошка», и цепь белка удлиняется. В конце концов выстроится полная цепочка аминокислот, расположенных в определенном порядке, и почти готовый белок отсоединится от рибосомы. Последовательность аминокислот – это первичная структура белка, которая определена сообщением, записанным на гене молекулы ДНК. Затем этот белок сворачивается, принимая окончательную форму, и может выполнять свою функцию. Иногда для полного созревания к нему нацепляются цепочки сахаров или липиды.
Интересно отметить, что, хотя на ДНК различных живых организмов, будь то вирус, бактерия, ель, мышь или человек, размещаются разные «сообщения» – гены, все они записаны с использованием одного и того же генетического кода – у всех организмов каждому триплету (последовательности из трех «букв») на ДНК соответствует одна и та же аминокислота в образовавшемся белке. По этой причине мы можем методами генной инженерии заставить работать в клетке кишечной палочки или дрожжей любой ген, скажем, человека или пшеницы.
Очень важное понятие, которое часто встретится вам на страницах книги, – это транскриптом. Транскриптом – это просто совокупность всех матричных РНК данной клетки или организма, проще говоря – полное собрание всех используемых в данный момент в работе клетки инструкций. По изменению транскриптома можно судить о том, какие гены и насколько активны, то есть преобразуются в функциональный продукт – белок.
Как уже говорилось, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – носитель наследственной информации о функциях всех клеток нашего тела. Она составляет основу кольцевых хромосом[44] митохондрий[45] и 46 линейных хромосом ядра[46] человеческой соматической клетки. В отличие от других биомолекул, каждый тип хромосом присутствует лишь в двух копиях на клеточное ядро, а в половых клетках (сперматозоидах или яйцеклетках) каждая хромосома находится вообще лишь в одной копии. Поэтому даже небольшая поломка ДНК в месте расположения жизненно важного гена[47] может стать фатальной. По причине множественного копирования при клеточном делении или под воздействием мутагенных факторов (ионизирующего излучения, свободных радикалов, токсичных веществ) с возрастом происходит накопление повреждений и утрата качества ДНК (рис. 2).
Рис. 2. Виды повреждений ДНК и их репарации.
Повреждения ДНК, как правило, быстро устраняются ферментами репарации, которые исправляют разрывы нити ДНК, удаляют ошибки и заполняют возникшие пробелы в последовательности нуклеотидов[48], используя в качестве матрицы соответствующий участок второй цепочки молекулы ДНК. Однако с возрастом способность к репарации ухудшается. Угасание активности ферментов репарации ДНК является неплохим маркером старения клеток. На это есть несколько причин. Репарация – энергозатратный процесс, она требует большого количества молекулы АТФ («энергетической валюты» клетки), а ее выработка с возрастом снижается из-за дисфункции митохондрий, «энергетических станций» клетки. Упадок биосинтетических процессов приводит к нехватке дезоксинуклеозидов – букв генетического кода, а репарация возможна только при их наличии. Наконец, эпигенетические изменения[49] подавляют активность генов самих репарационных белков. Неустранимые повреждения в ДНК служат причиной мутаций – однобуквенных замен в генетических последовательностях либо удвоений (дупликаций) и выпадений целых участков (делеций) или поломок хромосом (аберраций). Нередко случаются и перемещения генетического материала с одного места на другое – транслокации и транспозиции, вызывающие генетическую нестабильность[50]. Мутации и аберрации являются одной из причин возрастного нарушения функции клетки, гибели клеток или их опухолевого перерождения.
41
Цитоплазма – внутренняя среда клетки, кроме ядра, ограниченная плазматической мембраной.
42
Рибосома – немембранная органелла живой клетки, служащая для биосинтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, предоставляемой мРНК.
43
Генетический код – свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.
44
Кольцевые хромосомы – замкнутые в кольцо последовательности ДНК, в которых расположены гены. В клетке человека кольцевые хромосомы во множестве копий находятся в митохондриях.
45
Митохондрии – структуры внутри клетки, отвечающие за выработку энергии (образование большей части АТФ, НАДН), окисление глюкозы, жиров. Источник свободных радикалов. Имеют собственные кольцевые ДНК, рибосомы и транспортные РНК.
46
Структуры внутри клетки, в которых хранится и функционирует основной генетический материал.
49
Модификации ДНК или связанных с ней белков, которые не приводят к изменению генетического кода, однако способны включать или выключать те или иные гены.
50
Множественные изменения локализации, структуры или числа копий генов (или их частей) в геноме клетки или особи.