1 рік тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Итак, гены оказались состоящими из ДНК — вещест­ва, которое биохимики, как им казалось, хорошо знали.

Строение ДНК. ДНК — это полимер. Полимерными молекулами химики называют длинные цепочки, состоя­щие из одинаковых (гомополимеры) или разных (гетерополимеры) звеньев — мономеров. В основе мономера ДНК — молекула углевода — пентоза. Обычно в моле­кулах углеводов отношение атомов кислорода и водоро­да такое же, как в воде, — 1:2, поэтому общая формула углеводов СпН2пОп.

Углевод ДНК — исключение из правила: в нем не хватает одного атома кислорода (С5Н10О4), поэтому его назвали обескислороженной рибозой — дезоксирибо­зой.

К каждому остатку дезоксирибозы в ДНК присоеди­нено одно гетероциклическое (азотистое) основание. Их в норме четыре: аденин, гуанин, тимин, цитозин (рис. 2).

Строение азотистых оснований ДНК

Строение азотистых оснований ДНК

Гетероциклическими химики называют кольца, сла­гаемые, кроме углерода, и другими атомами, в данном случае азотом. Соединение основания с сахаром называ­ют нуклеозидом.

Сокращенно основания и соответствующие мономе­ры ДНК обозначаются латинскими буквами А, G, С и Т. (В популярной литературе и учебниках их обозначают русскими буквами — соответственно А, Г, Ц, Т.) Угле­вод в ДНК также циклический: связь через атом кисло­рода образует пятиугольную молекулу. Атомы углерода в ней химики перенумеровали — 1, 2, 3, 4, 5, начиная с того, к которому присоединено основание.

Что сшивает отдельные нуклеозиды ДНК в единый полимер? Химики установили, что сшивки — остатки фосфорной кислоты Н3РО4. Такие связи называют фос­фодиэфирными. Фосфодиэфирная связь в природных ДНК возникает между третьим и пятым атомами углеро­да в соседних пятичленных циклах пентозы, поэтому она называется 3’—5′-связью.

Нетрудно понять, что на одном конце образующего­ся полимера остается свободным 3′-атом углерода, а на другом — 5′. Эти концы так и называют 3′-и 5′-концами (рис. 3).

Фрагмент цепи ДНК. Коротко он записывается - А С -

Фрагмент цепи ДНК. Коротко он записывается – А С –

Добавим, что нуклеозид с остатком фосфорной кис­лоты называется нуклеотидом (а точнее, дезоксирибо­нуклеотидом). Это и есть отдельное звено нуклеотидной цепи ДНК.

Раньше полагали, что ДНК состоит из монотонно повторяющихся блоков — А, G, С, Т. Казалось, что по­лимер такого простого строения, такая «скучная» и одно­образно устроенная молекула не может быть носителем разнообразных наследственных свойств. Но в конце 40-х годов австрийский биохимик Э. Чаргафф показал, что процент оснований G+С может варьировать в широ­ких пределах, изменяясь от одного вида к другому. Зна­чит, в природе может существовать бесконечное коли­чество вариантов ДНК. Если длина полинуклеотида хо­тя бы тысяча звеньев, то количество вариантов 41000) (это число с шестью тысячами нулей!). Известно, что только двумя символами, например точкой и тире в азбу­ке Морзе или же нулем и единицей в программах ЭВМ, можно записать какой угодно большой объем информа­ции. Так что кажущаяся простота строения ДНК не по­меха для того, чтобы этот полимер выступил в роли «вещества наследственности».

Из анализов Э. Чаргаффа следовало, что в ДНК лю­бого организма количество А всегда равняется коли­честву Т, а количество G — количеству С. Лишь потом из этого правила нашлись исключения — ДНК некото­рых вирусов. Для подавляющего большинства организ­мов правила Чаргаффа строго соблюдались. Почему это так, стало ясно после работы Д. Уотсона и Ф. Кри­ка, сделавших в 1953 г. одно из величайших открытий в истории естествознания. Они установили, что молекула ДНК — двойная спираль, в которой две полинуклеотид­нью оси закручены друг вокруг друга и вокруг общей оси (рис. 4).

Строение молекулы ДНК

Строение молекулы ДНК

Цепи ДНК антипараллельны: двигаясь мысленно вдоль длинной оси двойной спирали, в одной цепи мы бу­дем проходить межнуклеотидные связи в направлении 3’—5′, а в другой — 5’—3′. Представьте двух змей, скрутившихся в спираль — голова одной к хвосту другой (рис. 5).

Допустим, что голова — 5′, а хвост — 3′. Спираль ДНК обычно закручена вправо, как штопор или болт с правой резьбой. Но в некоторых случаях ДНК образу­ет и левую спираль, названную 2-формой.

Что же связывает единичные цепи в двойной спира­ли? Д. Уотсон и Ф. Крик установили, что антипараллель­ные последовательности в ней образуют так называемые комплементарные пары. G в одной цепи соединяется с С в другой, так же как А с Т водородными связями, о ко­торых вы имеете представление из школьного курса хи­мии. Эти связи с участием электроположительного водо­рода (протона) и какого-либо электроотрицательного центра (кислорода, азота). Для существования жизни в земном варианте водородные связи чуть ли не важнее всех прочих: ведь вода кипит при 100° С именно потому, что молекулы ее связаны друг с другом в легкоразрушающиеся глобулы (ассоциаты) связями между кисло­родными и водородными ядрами. Исчезни эти связи — и все океаны на Земле вскипели бы.

Водородные связи гораздо слабее ковалентных; по­этому двойная спираль распадается на комплементар­ные половинки, если раствор ДНК подщелочить или нагреть до 100° С. Этот процесс называется денатура­цией, он обратим. Если понизить рН раствора или пони­зить температуру, половинки ДНК, сталкиваясь в хаоти­ческом тепловом движении, в конце концов находят друг друга, пары А—Т и G—С восстанавливаются, и снова возникают двойные спирали. Конечно, скорость этого процесса (ренатурации) зависит от концентрации раство­ра и от разнообразия последовательностей ДНК. Грубо говоря, чем больше разных генов «денатурируется», тем медленнее восстанавливаются двойные спирали ДНК. Образно говоря, чем разнообразнее груда обуви в прихожей, тем дольше приходится искать галошу под пару.

Так как в двойной спирали ДНК G всегда в паре с С, а А с Т, понятно, почему строго соблюдается правило Чаргаффа. У тех вирусов, которые не подчинялись это­му правилу, ДНК оказалась одноцепочечной.

Возможность репликации заложена в самой ДНК. Нетрудно понять, что цепи в ДНК не только антипарал­лельны, но и комплементарны (А против Т и G против С). Зная последовательность нуклеотидов в одной цепи, мы легко восстановим последовательность в другой.

А теперь расплетем двойную спираль ДНК, разделим слагающие ее цепи и, пользуясь правилом комплементарности, построим на них новые (рис. 6). Две дочер­ние молекулы, которые мы получили, неотличимы от ма­теринской. Вот и ответ на вопрос: как гены удваиваются в числе при делении клеток. Добавим, что водородные связи, возникающие между парами G и С, А и Т, самые устойчивые. Поэтому процесс удвоения, редупликации, генов очень помехоустойчив, ошибки возникают редко. Это и обеспечивает наследственность, преемственность поколений. Иначе дети бы не походили на родителей, в каждом поколении появлялась бы «ни мышонок, ни ля­гушка, а неведома зверушка».

Построение новых нитей ДНК на основе правила комплементарности

Построение новых нитей ДНК на основе правила комплементарности

Редупликация ДНК идет с затратой энергии и ускоря­ется в клетках целым комплексом белковых молекул-катализаторов — ферментов, главный из которых назы­вается ДНК-полимеразой. После расплетения двойной спирали ДНК этот фермент последовательно наращива­ет на полинуклеотидных цепях исходной молекулы ДНК (их называют также матричными цепями) комплемен­тарные им цепи.

Обратите внимание: образование двух новых комплементарных цепей идет в противоположных направлениях. Это происходит потому, что матричные цепи антипараллельны, а ДНК-полимераза наращивает цепь только от 5′-конца к 3′-концу. То, что изображено на рисунке, называют обычно репликативной вилкой (рис. 7). Ее можно разглядеть в электронный микроскоп.

Репликативная вилка

Репликативная вилка

С ДНК-полимеразой, равно как и с принципом комплементарности оснований, мы еще не раз встретимся на страницах этой книги. А сейчас обратимся к вопросу о том, как реализуется содержащаяся в ДНК наслед­ственная информация.

От ДНК к РНК и обратно. Известно, что основу жиз­ни представляют белки. Функции их в клетках очень многообразны. Сокращается мышца, работает мозг, бо­рется организм с попавшими в него бактериями или ви­русами, переваривается в желудке и кишечнике пища, насыщается кровь кислородом, светится светляк, бакте­рия разъедает камень — во всех разнообразных процес­сах главную роль играют белки. Одного не «умеют» молекулы белков — размножаться. На них не распро­страняется принцип редупликации, свойственный генам. Но вся информация, необходимая для постройки белко­вых молекул, содержится в генах. Если в ядре нет соот­ветствующего гена, организм не будет синтезировать определенный белок. Поэтому уже в 30-е годы было сформулировано правило: один ген — один белок.

У высших организмов — эукариот — белки обра­зуются в цитоплазме клетки, а гены (ДНК) скрыты за оболочкой ядра. Поэтому ДНК непосредственно не мо­жет быть матрицей для биосинтеза белка. Эту роль выполняет другая нуклеиновая кислота — рибонуклеино­вая (РНК). РНК отличается от ДНК по многим свой­ствам, но по составу различается незначительно. Вместо дезоксирибоз РНК слагают рибозы (это «нормальные» углеводы — С5Н10О5). РНК вместо тимина содержит урацил (U)отличающийся от тимина только тем, что у него нет метильной группы СН3. Однако РНК практи­чески всегда состоит из одной полинуклеотидной цепи, хотя может образовывать комплементарную двойную спираль с породившей ее однонитчатой ДНК. Впрочем, внутри цепи РНК часто встречаются участки с компле­ментарными последовательностями нуклеотидов, отчего они скручиваются в двунитчатые «шпильки». Здесь так­же образуются комплементарные пары оснований, толь­ко А—Т заменена на А—U (рис. 8).

"Шпильки", образуемые полинуклеотидной цепью РНК

“Шпильки”, образуемые полинуклеотидной цепью РНК

РНК синтезируется на ДНК, главную роль здесь иг­рает фермент РНК-полимераза.

Матрицей для синтеза служит одна из цепей двуспиральной ДНК, которая в этом участке расплетается. Молекулярные биологи назвали этот процесс транскрип­цией (переписыванием). Транскрипция ДНК строго следует принципу комплементарности, и поэтому обра­зующаяся полинуклеотидная цепь РНК в точности ком­плементарна матричной нити ДНК и в принципе может образовать с ней идеальную двойную спираль. В сле­дующих главах мы встретимся с такими ДНК — РНК-комплексами. Их называют ДНК — РНК-гибридами, а процесс их образования — ДНК — РНК-гибридизацией. В генной инженерии это свойство часто используют. Да­леко не вся ДНК в ядре может образовывать транскрипты. Нетранскрибируемая ДНК служит для каких-то других целей, нам до конца еще неясных. Возможно, она организует структуру хромосом или выполняет обя­занности регулятора.

Оказалось, что процесс транскрипции обратим. Из­вестен фермент, синтезирующий на РНК как на матрице полинуклеотидную цепь ДНК. Эта вновь синтезирован­ная ДНК — точная копия той матричной цепи гена, с которой была считана (транскрибирована) РНК. Фер­мент назвали РНК — зависимой ДНК-полимеразой или, проще, обратной транскриптазой или ревертазой (от сло­ва реверс — обратный ход). Он обнаруживается в соста­ве вирусов, вызывающих перерождение нормальных клеток в опухолевые (раковые). Эти вирусы вместо ДНК содержат РНК — их называют онкорнавирусами (соче­тание из слов онкос — рак (греч.), неверно читаемого английского сокращения RNА (РНК) и слова вирус). Обратная транскриптаза вируса переводит его в форму ДНК, которая, включаясь в хромосому клетки, делает ее способной к неконтролируемому, злокачественному росту. Обратная транскриптаза стала одним из основ­ных инструментов генных инженеров.

От РНК к белку. Генетический код. Вернемся к син­тезу белка. Мы видим, что не сами гены (ДНК), а их РНК-копии служат матрицами для синтеза белковых молекул. Такие РНК называют информационными (иРНК) или матричными (мРНК). Их можно сравнить с рабочими чертежами (синьками), которые поступают в цеха завода (в нашем случае в цитоплазму), тогда как основные чертежи (ДНК) остаются в «конструкторском» бюро — ядре. По рабочим, матрицированным чертежам синтезируются белки.

Белки тоже полимерные макромолекулы: они состоят из полипептидных цепей, образованных остатками ами­нокислот. Вообще аминокислотой можно назвать лю­бое соединение, содержащее одновременно аминогруппу (NН2) и группировку органической кислоты — карбок­сильную (СООН). Число возможных аминокислот не очень отличается от бесконечности, но белки образуют только 20. Белковую цепочку называют полипептидной, потому что аминокислотные остатки в ней связаны пеп­тидными связями (рис. 9): аминогруппа присоединяется к карбоксильной, при этом отщепляется молекула воды.

Фрагмент полипептидной цепи

Фрагмент полипептидной цепи

Ясно, что на одном конце полипептидной цепочки остается свободная аминогруппа, а на другом — карбок­сильная. Эти концы и называют N-конец и С-конец. Все разнообразие белковых молекул в природе создается раз­личием в длинах их полипептидных цепей и, главное, различным чередованием аминокислотных остатков в этих цепях.

Чередование аминокислотных остатков, или, иными словами, линейная последовательность расположения аминокислотных остатков в белковой молекуле, запро­граммировано в нуклеотидной последовательности его гена (ДНК). Код, с помощью которого осуществляется такое программирование, получил название аминокис­лотного генетического кода. Мы часто будем встречать­ся с термином кодон, под которым понимают нуклеотидную комбинацию (т. е. комбинацию из А, G, Т и С), коди­рующую один данный аминокислотный остаток.

Для того чтобы расшифровать аминокислотный ге­нетический код, потребовалось более 10 лет упорнейше­го труда целого научного коллектива. Одно наиболее общее свойство этого кода можем вывести и мы с вами. Известно, что в ДНК имеется четыре вида оснований — А, G, С и Т (в ее РНК-копии тоже четыре — А, G, С и U). Белки же построены из 20 видов аминокислот. Если бы код был однобуквенным, то мы бы смогли закодировать только 4 аминокислоты из 20. Двухбуквенного кода (т. е. с кодонами типа (ЗА, АО, АА, СU и т. д.) также не­достаточно, так как с его помощью можно закодировать только 4= 16 аминокислот из 20. А вот трехбуквенным кодом (4= 64) сочетания из А, Т, G и С можно зако­дировать все 20 аминокислот с избытком.

Трехбуквенность кода была доказана и в лаборато­рии английского ученого Ф. Крика. В тех же опытах было обнаружено, что два кодона, кодирующие сосед­ние аминокислотные остатки, располагаются в полинуклеотидной цепи друг за другом, причем между ними нет вставок и они не перекрываются. Такой код называют неперекрывающимся кодом без запятых.

Генетический код оказался вырожденным, т. е. один и тот же аминокислотный остаток мог кодироваться раз­ными кодонами. Нечто похожее было в старой русской азбуке: там тоже были буквы, читавшиеся одинаково («е» и «ь», «1» и «и», «ф» и «⁔»). Наш код вырожден не­равномерно: аргинин, например, кодируется шестью кодонами, а метионин только одним.

В 1966 г. совместными усилиями ученых многих стран была завершена расшифровка генетического кода. Вот таблица, в которой даны кодоны для иРНК (рис 10).

Таблица аминокислотного генетического кода (кодовый словарь)...

Таблица аминокислотного генетического кода (кодовый словарь)…

Из нее видно, что 20 аминокислотам соответствует 61 кодон. Один, реже два из оставшихся трех кодонов стоят в конце кодирующей последовательности. Они соответствуют пропускам между словами в тексте.

Генетический код оказался универсальным для всей живой природы: бактерия, тигр и гвоздика используют одинаковые кодоны для соответствующих аминокислот­ных остатков. Лишь в особых внутриклеточных струк­турах — митохондриях, снабжающих клетки эукариот энергией, найдены незначительные отклонения от обще­го кода. Это свойство кода имеет огромное практиче­ское значение: из него следует, что гены одного организ­ма могут быть перенесены в любой другой организм (а не только из одной бактерии в другую, как это сделал Гриффитc) и в любой чужеродной клетке содержащая­ся в них программа может быть использована для синте­за полноценных белковых молекул.

Ф. Крик первым подметил, что между кодонами в РНК и аминокислотами не наблюдается никакого соответствия или химического сродства, и сделал отсюда вывод о су­ществовании какой-то молекулы-посредника, «узна­ющей» одновременно и тройку нуклеотидов, и кодируе­мую ими аминокислоту. Эта догадка блестяще подтвер­дилась: посредниками оказались также молекулы РНК небольшой длины — транспортные РНК (тРНК). На одном из концов тРНК имеется последовательность из трех нуклеотидов, комплементарная кодону (ее называют антикодоном). А на другой присоединяется соответству­ющая этому кодону аминокислота (рис. 11). Связь кодон — антикодон временная, и в ней могут образовывать­ся не только стандартные, канонические пары А—U и G—С, но и неканонические, менее прочные.

Схема структуры транспортной РНК и кодон-антикодоновых взаимодействий...

Схема структуры транспортной РНК и кодон-антикодоновых взаимодействий…

С иРНК связывается, таким образом, не тРНК, а комплекс ее с соответствующей аминокислотой. Обра­зование этих комплексов катализируется специальными ферментами — аминоацил-тРНК-синтетазами.

Легко догадаться, что каждая аминокислота должна иметь, по крайней мере, одну соответствующую ей тРНК. А так как код вырожденный, «сортов» тРНК гораздо больше 20.

Обратите внимание на еще одну тонкость. Где нача­ло и где конец полипептидной цепи в белке? Установ­лено, что полипептиды в цитоплазме клеток синтези­руются от N-конца к С-концу. N-конец договорились считать начальным. А он соответствует 5′-концу иРНК. Следовательно, 5′-конец иРНК начальный. Но ведь транскрипция, как и редупликация гена, идет так, что матричная нить прочитывается в направлении 3’—5′. Получается, что генетическая информация «перепечаты­вается» с конца, а читается, как водится, с начала!

Чтобы завершить эту картину, нам остается только добавить, что встреча тРНК, несущей на себе свою ами­нокислоту, с иРНК происходит на рибосоме. Рибосома, в свою очередь, построена из белков и РНК/ Это уже третий класс РНК (рибосомные РНК).

События, происходящие на рибосоме, проще всего изобразить на схеме. Обратите внимание, что после обра­зования каждой пептидной связи и ухода освободившей­ся тРНК иРНК перемещается на один кодон.

Рибосома начинает «читать» иРНК (молекулярные биологи называют синтез белка на рибосоме трансля­цией) со строго определенного кодона (обычно им слу­жит АUG), а заканчивает, как мы уже говорили, на тер­минирующем кодоне (рис. 12).

Схема транскрипции (синтеза РНК и ДНК) и трансляции (синтеза белка на рибосоме)

Схема транскрипции (синтеза РНК и ДНК) и трансляции (синтеза белка на рибосоме)

Многое из того, о чем мы сейчас рассказали, вы уже знаете из школьных учебников химии и биологии. Сейчас же вы познакомитесь с понятиями, более сложными и по своей новизне в учебники еще не попавшими. Поста­райтесь запомнить все новые термины, которые вам по­падутся. Не зная их, вы не поймете следующих глав.

Клетка управляет генами. Вскоре после разгадки ге­нетического кода ученые поняли, что сделано было са­мое легкое, осталось, как это всегда бывает, самое труд­ное. В самом деле, что «запускает» в клетке одни гены и «выключает» работу других? Ген, кодирующий пище­варительный белок — пепсин, задействован только в специализированных клетках слизистой оболочки же­лудка. Что было бы, если бы он включился, начал тран­скрибироваться, например, в клетках нервной системы? Человек попросту переварил бы свой мозг. В конечном счете одна клетка отличается от другой, один орган раз­вивается, отличаясь от другого, и один вид организмов отличается от другого только тем, что у них транскрип­ция идет с разных генов и разные белки синтезируются в разных количествах. Значит, основа развития организма даже не те гены, в которых закодированы аминокислот­ные последовательности белков (их называют структур­ными). Должна существовать какая-то система регу­ляции, включающая в определенное время одни гены и выключающая другие.

Такая система также входит в состав генома, какие-то последовательности ДНК должны быть регуляторными. Клетки млекопитающих способны синтезировать око­ло 50 тыс. белков, а ДНК в клетке хватает на 5 млн. По­лучается, что генетическая система клеток в высшей сте­пени «бюрократична»: руководителей, т. е. регуляторных генов, там в тысячи раз больше, чем непосредственных исполнителей — структурных генов.

Иначе и быть не может. Человек при соответствующей подготовке может прочесть и понять любую книгу, на­писанную другим человеком: ведь его мозг — система не­сравненно более сложная, чем отдельная книга. А гене­тическая программа клетки должна сама себя прочесть, понять и задать клетке определенный объем работ.

Только сейчас ученые начинают постигать хитроум­нейшие детали этого механизма. Чтобы лучше понять его, привлечем аналогии и наглядные примеры. Представим, что мы получили по радио серию букв и цифр, соответ­ствующих названию судна и географическим координа­там его положения. Ну и что? Смысл сообщения оста­ется неясен. Но если сообщению предшествуют серия из 12 тире плюс несколько раз повторенное сочетание — три точки, три тире, три точки (SOS), оно расшифровы­вается однозначно — это сигнал бедствия. Если терпя­щий бедствие призывает помощь по радиотелефону, он должен перед этим произнести несколько раз условное легкоразличимое на слух буквосочетание МЭЙДЭЙ («майский день» по-английски). Вот пример «регуляторной последовательности» — не из нуклеотидов, как в ДНК, а из точек и тире или звуков.

Рассуждая так, придем к выводу, что при каждом структурном гене должны быть последовательности, опре­деляющие, когда, при каких условиях он должен быть транскрибирован, сколько актов транскрипции нужно сделать и когда он должен замолчать. Мало того, эти гены-регуляторы должны быть как-то связаны друг с другом. Только в этом случае клетки одного типа будут синтезировать один набор белков, клетки другого — дру­гой и одна превратится, например, в эритроцит, другая в нейрон — клетку нервной системы.

Теперь посмотрим, что известно на сегодня о регуля­торных элементах генов и генах-регуляторах.

Больше всего удалось узнать о регуляторных участ­ках ДНК, расположенных непосредственно перед нуклеотидными последовательностями, кодирующими ту или иную полипептидную цепь белка. У них две обязанности. Во-первых, здесь находится последовательность-сигнал, показывающая, где необходимо связаться РНК-полимеразе, чтобы начать транскрипцию данного гена. Ее на­зывают промотором. Во-вторых, в этом же участке ДНК расположены нуклеотидные последовательности, которые участвуют в регуляции уровня транскрипции: с одними из них связываются белки, усиливающие синтез иРНК на ДНК (белки-активаторы), а с другими, называемыми операторами, белки-репрессоры, которые подавляют транскрипцию или вовсе ее останавливают. Ясно, что белки-активаторы и белки-репрессоры также должны быть закодированы в каких-то генах. Такими генами являются гены-регуляторы.

Чтобы нагляднее представить механизм действия, рассмотрим, как регулируется работа гена, в котором закодирован фермент β-галактозидаза у бактерии — ки­шечной палочки. Если бактерия синтезирует этот фер­мент, она может расти, потребляя в качестве единствен­ного источника углерода углевод молочный сахар — лактозу. Обычный источник углерода для кишечной па­лочки — глюкоза. Лактоза — это дисахарид, она со­держит остатки галактозы и глюкозы. Если вместо глю­козы «кормить» кишечную палочку лактозой, то в ней начинается синтез фермента β-галактозидазы, выщепляющей из лактозы необходимую бактерии глюкозу. Обрати­те внимание, если глюкоза присутствует в питательной среде, то кишечная палочка β-галактозидазы не образует. Она ей просто не нужна. На языке генетики это озна­чает, что ген β-галактозидазы репрессирован, т. е. «мол­чит». Но при замене глюкозы на лактозу он включается.

Впервые расшифровать события, которые здесь про­исходят, сумели французские ученые Ж. Моно и Ф. Жакоб. Они установили, что, когда кишечная палочка рас­тет на глюкозе, промотор гена Р-галактозидазы недо­ступен для РНК-полимеразы потому, что он заблокиро­ван белком-репрессором, прочно связанным с операто­ром (рис. 13). Репрессор можно сравнить с пломбой на двери запечатанного помещения: эта пломба срывается в каких-то чрезвычайных обстоятельствах.

Регуляция работы гена...

Регуляция работы гена…

Заменим глюкозу на лактозу. Промотор гена β-га­лактозидазы свободен, и синтез иРНК на этом гене мо­жет начаться, так как репрессор теперь находится в неактивном состоянии. Что же с ним произошло? Оказывается, новый источник углерода (равно как и многие другие соединения, похожие на лактозу) прочно связался с репрессором и сделал его неспособным взаимодейство­вать с оператором. Такие вещества называют индук­торами. Более того, в отсутствие глюкозы в клетке начи­нает работать белок-активатор, который связывается с ДНК слева от РНК-полимеразы и помогает ей начать транскрипцию (рис. 14).

Регуляция работы гена...

Регуляция работы гена…

Такое состояние будет поддерживаться до тех пор, по­ка в среде есть индуктор. Любопытно, что кишечную па­лочку можно «обмануть»: подсунуть ей соединение, кото­рое связывается с репрессором, но не расщепляется бел­ком — продуктом репрессированного гена. Ген тогда ра­ботает вхолостую.

Схема Жакоба и Моно — один из самых простых способов регуляции генной активности, но далеко не единственный. Например, включать одни и выключать другие гены можно, изменяя саму РНК-полимеразу. Этот фермент состоит из многих полипептидных цепей, называемых субъединицами. Присутствие одной из таких субъединиц (называемой δ -фактором) абсолютно необ­ходимо для того, чтобы РНК-полимераза связалась с промотором и начала транскрипцию. Изменяя δ-фактор, можно изменять сродство РНК-полимеразы к промото­рам. Таким путем регулируются гены во время так на­зываемого «теплового шока» — явления, широко рас­пространенного в природе. Если любой живой организм (будь то бактерия или мушка-дрозофила) поместить в условия повышенной температуры (не смертельной, ко­нечно, но при которой он себя чувствует неуютно), то организм будет приспосабливаться. Он в срочном поряд­ке начинает в больших количествах синтезировать спа­сательные белки (или белки-спасатели). Уровень син­теза обычных белков при этом сильно снижается. В этом случае активизируются одни гены (гены «теплового шока») и подавляются другие гены. Оказалось, что, по крайней мере, у бактерий активация генов «теплового шока» связана с заменой старого δ-фактора на новый, приспособленный к промоторам этих генов.

Говоря о регуляторных элементах генов, нельзя не упомянуть еще о нескольких. Во-первых, недавно в хро­мосомах были найдены участки — усилители транскрип­ции, которые расположены на большом (иногда очень большом) расстоянии от кодирующей последователь­ности гена и его промотора. Механизм их действия — одна из самых интересных загадок молекулярной биоло­гии. Во-вторых, для нормальной работы гена очень важ­ны участки, расположенные в конце кодирующей по­следовательности и служащие сигналом остановки транс­крипции. Их называют терминаторами. В некоторых ге­нах можно обнаружить терминатор и внутри кодирую­щей последовательности. Такой ген может полностью транскрибироваться только в присутствии так называемо­го белка-антитерминатора, позволяющего РНК-полиме­разе «проскочить» внутренний терминатор.

Теперь можно воссоздать достаточно точную карти­ну расположения генетических регуляторных элемен­тов, известных в настоящее время (рис. 15). Не следует забывать, однако, что многое и в организации генов, и в их регуляции еще предстоит выяснить в будущем, и эта схема еще будет существенно дополнена. Моле­кулярная биология очень молодая наука, и еще много открытий впереди. Посмотрите, например, как постоянно изменяется само понятие гена.

Регуляторные элементы гена

Регуляторные элементы гена

Так что же такое «ген»? Как мы уже рассказывали, классическая генетика пришла к представлению «один ген — один белок». Когда стало ясно, что гены по­строены из ДНК, появилось определение: ген — это ли­нейный участок ДНК, в котором закодирован один бе­лок.

Затем стало известно, что многие белки (в частности, РНК-полимераза) построены из нескольких полипептид­ных цепей (субъединиц). Пришлось опять модифициро­вать определение гена: ген — это линейный участок ДНК, в котором закодирована одна полипептидная цепь белка. Однако около 10 лет назад выяснилось, что и это опре­деление следует изменить. Было установлено, что коди­рующие последовательности многих генов эукариот со­держат вставки, которые к данному белку отношения не имеют. Эта особенность организации генов настолько важна и настолько широко распространена, что следует более подробно рассказать об этом. Такое открытие стало возможным, когда в руках ученых оказались, с одной стороны, индивидуальные гены, а с другой — индивидуальные иРНК для определенных белков. (В по­следующих главах мы расскажем, как этого можно до­стичь.) Вы знаете, что иРНК — это комплементарная копия гена. Каково же было удивление ученых, когда, получив ДНК—РНК-гибрид из денатурированной ДНК некоторых генов и транскриптов с них (иРНК), они уви­дели в электронный микроскоп такую картину (рис. 16).

Гибридизация гена белка овальбумина с иРНК этого белка...

Гибридизация гена белка овальбумина с иРНК этого белка…

Протяженные участки ДНК (здесь они выглядят как петли) вообще не гибридизовались с РНК! Но ведь именно эта иРНК транслировала и давала полноценный белок. Более того, ее выделили из комплекса с рибосо­мами во время трансляции. Здесь вспомнили, что транс­лируемая иРНК обычно образуется из более длинного предшественника — пре-иРНК. Если с геном сгибридизировать такой предшественник, то гибрид выглядит нормально (рис. 17).

Гибрид гена овальбумина с предшественником иРНК

Гибрид гена овальбумина с предшественником иРНК

Значит, в процессе превращения пре-иРНК в иРНК из его цепи исчезли какие-то внутренние участки. Это мож­но сделать, только разрезав цепь в определенных местах, удалив эти участки и вновь сшив оставшиеся районы РНК, совокупность которых кодирует данную поли­пептидную цепь (рис. 18). Этот процесс называют сплай­сингом (от английского слова, попавшего в русский язык через морской жаргон: «сплеснивать» конец зна­чит сращивать канат, веревку из отдельных кусков). Ведь когда внутренние участки вырезаны, остающиеся должны быть каким-то образом соединены в единую последовательность.

Схема сплайсинга иРНК гена овальбумина...

Схема сплайсинга иРНК гена овальбумина…

Отсюда ясно, что сам ген устроен так (рис. 19). Ко­дирующие участки гена обычно называют экзонами, не­кодирующие вставки — интронами. По размерам интро-ны варьируют от нескольких единиц до нескольких тысяч нуклеотидных остатков. Ген с интронами напоминает предложение на одном из языков, вроде эскимосского, в которых одно слово вторгается в другое, а целая фраза выглядит очень длинным словом.

Схема строения гена овальбумина...

Схема строения гена овальбумина…

И вновь видоизменяют определение гена: ген — это совокупность участков ДНК, кодирующих одну поли­пептидную цепь белка. Но этого мало: существуют и гены транспортных и рибосомных РНК, не кодирующие бел­ков. А последовательности-усилители — гены это или нет? Ведь мутация не только в гене, кодирующем белке, но и в усилителе или промоторе, интроне или терминато­ре может изменять, как это показано, общий облик и фи­зиологию организма, его фенотип. Это изменение пере­дается по наследству, а ведь наследственность, как мы знаем, — функция генов. Может быть, правильнее такая обтекаемая формулировка: ген — нуклеотидная после­довательность, выполняющая определенную функцию?

Каким же образом гигантские по длине полинуклеотидные цепи ДНК организованы в клеточном ядре?

Главная черта этой организации — необычайная компактность ДНК. Рассмотрим простейшую систему — ДНК-содержащий вирус, например аденовирус, кото­рый вызывает ОРЗ (острое респираторное заболевание, или обычную простуду). Если частицу этого вируса рассматривать как шарик, т. е. диаметр составляет всего 0,07 мкм, ДНК же аденовируса имеет длину 11 мкм.

Еще более удивительным выглядит сравнение разме­ров клеточного ядра клетки человека и его ДНК. Если мысленно ДНК, содержащуюся во всех 46 хромосомах человеческой клетки, соединить в одну нить, то ее длина будет равна 1,8 м! (Не забывайте, что диаметр такой нити всего 20 десятимиллиардных долей метра; пред­ставьте провод от Земли до Луны диаметром в 4 мм.) Диаметр же клеточного ядра всего примерно 6 мкм.

Но каждая хромосома — это не только ДНК. В хро­мосомах содержится множество различных белков. Глав­ные из них — гистоны. Именно они помогают ДНК сложиться в столь компактные образования, что их можно уместить в такой маленький объем.

Гистоны — основные белки: они содержат очень много лизина, аргинина и гистидина с основными ами­ногруппами. Поэтому они легко и прочно связываются с ДНК — ведь это кислота. Сами по себе гистоны объеди­няются в комплексы, имеющие цилиндрическую форму. На эти цилиндрики (как на катушку) и накручивается ДНК (примерно по два витка на каждом гистоновом комплексе). Поэтому, если хромосому развернуть в нит­ку, то в электронном микроскопе она выглядит как бусы. Каждая бусинка — комплекс гистонов с накрученной на него ДНК. Нитки между бусинками — свободные от белка участки ДНК. Бусинки назвали нуклеосомами.

В развернутом виде нуклеосомная нить существует только в искусственных условиях. В хромосоме отдель­ные нуклеосомы объединяются по шесть или восемь штук и образуют тяжи, которые, в свою очередь, перекручены друг с другом в более толстые тяжи, и так до тех пор, пока не возникнет огромная хромосомная структура.

Вот таким образом и удается спрятать длинную ДНК в очень малый объем. Правда, упакованные таким обра­зом гены неактивны. РНК-полимераза, к примеру, к ним просто не может пробраться. Поэтому перед началом работы генов целая область хромосомы, в которой они находятся, раскручивается и переходит на более низкий уровень организации. В этом процессе заключен еще один способ регуляции активности генов: в клетке мо­гут включаться и выключаться целые группы генов в зависимости от того, в какого типа хромосомной струк­туре они находятся.

Мы дали очень упрощенную картину сегодняшних знаний о структуре гена — ровно столько, чтобы можно было понять принципы генной инженерии. Но уже из нее становится ясно, в какое сложное устройство приходится вторгаться, чтобы направленно изменить наследствен­ность. Ген, как смерть Кощея Бессмертного, запрятан в чрезвычайно сложной структуре за оболочкой ядра; очень непросто его оттуда извлечь, отделить от других генов и вставить в другой геном, так чтобы он работал в новом месте.

Выделять ДНК в чистом виде научились давно. Но в растворе эти длиннейшие молекулы представляют собой хаотическую смесь обломков, которую тепловое движение все время перебалтывает.

Представьте содержание большой книги (например, однотомника собрания сочинений Пушкина), напечатан­ное точками и тире на телеграфной ленте. Тираж, ска­жем 1 млн. экземпляров, собран в стог, который не­прерывно ворошат. Телеграфные ленты при этом рвутся в случайных местах. Требуется дистанционно с большого расстояния взять оттуда ленту, на которой отпечатано стихотворение «Анчар» или поэма «Полтава» (примерно такое соотношение между длинами самого маленького и самого большого гена).

Перед будущими генными инженерами встала задача огромной сложности: ведь первичные структуры, т. е. по­следовательности нуклеотидов в генах, были практичес­ки неизвестны. Зная генетический код, можно было при­близительно, с учетом вырожденности кода, прогнозиро­вать последовательности структурных генов, тех самых, которые кодируют белки. Однако узнать последователь­ность нуклеотидов в промоторах или усилителях стало возможным лишь тогда, когда их научились выделять. Образно говоря, уже проделав операцию по извлечению нужной телеграфной ленты из целого стога, не только не видя ее, но и не зная азбуки Морзе!

Еще недавно такая задача казалась, если и разреши­мой, то в очень отдаленном будущем, и это заманчивое будущее отодвигалось с каждым новым открытием. По­хоже, подтверждалась древняя грустная мудрость: «Во многом знании много печали». Но внезапно наступил перелом. Помощь пришла из, казалось бы, узкой спе­циальной отрасли — генетики фагов — вирусов микро­организмов и генетики самих бактерий.