Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.
Шрифт:
Рис. 2.15.Синтез белка, управляемый информационной РНК (иРНК, отрезок букв на печатной ленте), и действие транспортной РНК (тРНК). Это действие происходит внутри рибосомы, которая здесь не показана. Молекула тРНК с антикодоном CAA, несущая молекулу валина, подплывает к кодоновой последовательности GUU. Вскоре другая тРНК, на этот раз с антикодоном UCG и нагруженная молекулой серина, подходит и опускается на свой кодон, представляющий последовательность AGC. Затем молекулам валина и серина присоединяются ферменты, создавая дипептид валин-серин, отработавшая тРНК с кодоном CAA отплывает куда-то на поиски другой молекулы валина, а рибосома передвигается к следующему кодону и ожидает прибытия подходящей молекулы тРНК и ее аминокислоту. Таким образом полипептидная цепь растет, следуя порядку, определяемому иРНК.
Теперь мы можем подвести следующий итог сказанному. Центральная догмагенетики гласит: поток информации и активности течет по пути ДНК -> РНК -> белок. Лишь в очень редких случаях (как мы увидим позднее) информация течет от РНК к ДНК. Предполагаемая неспособность
Теперь, по-видимому, становится очевидной неоценимая важность раскрытия структуры ДНК, но существует еще множество ответвлений, которых нам также следовало бы коснуться. Я говорю «ответвления», но на самом деле это горы вопросов, на решении которых сегодня сосредоточены усилия многих ученых, это безграничный мир современных исследований.
Во-первых, структура ДНК связана с обсуждавшейся в главе 1 эволюцией в качестве ее молекулярного базиса. Воспроизведение и запись никогда не бывают совершенными: даже нуклеотиды и аминокислоты делают ошибки при группировании вслепую, в соответствии с формой и электрическим зарядом, прикрепляясь наилучшим из возможных способов, но иногда оказываясь в неправильном положении. Они не способны исправить ошибку, пока не будут перемещены в другое положение в момент приближения или формирования новой связи. ДНК может неверно воспроизвестись при создании следующего поколения, молекула иРНК может ошибиться при считывании ДНК, молекула тРНК может приклеиться не к тому кодону, и даже правильно прикрепленная тРНК может нести не ту аминокислоту. Однако все эти ошибки, за исключением первой, преходящи, они влияют на клетку, но не на тело в целом. Только первая, называемая соматической мутацией, влияет на все тело, ибо неверный шаг на раннем этапе развития организма будет воспроизводиться и воспроизводиться, пока не наполнит его целиком. Когда происходит мейоз и образуются гаметы, мутировавшая ДНК входит в зародыши потомства и готова к тому, чтобы быть переданной этому хитроумно устроенному способу расширения тела, следующему поколению. Такой тип мутации называется герминативной мутацией.
Ясно, что воспроизведение это опасный бизнес, в нем можно сделать так много неверных шагов. Можно быть уверенным, что этот процесс обладает значительной устойчивостью, что мутации возникают нечасто, иначе нас тут не было бы. Конечно, в один прекрасный день нас (нашего вида) и не будет. Одной из причин долговечности ДНК является то, что каждая клетка имеет изощренные полицейскую и ремонтную службы, которые идентифицируют мутации и исправляют их. Другая причина в том, что ДНК содержит много мусора, участков, называемых интронами, которые просто вышли погулять и ничего не кодируют (не «символизируют»). Части ДНК, имеющие серьезные намерения, участки с активными кодами, называются эксонами. Если мутация происходит в интроне, это не имеет последствий для организма, так как данный генетический материал не символизирует белка. Огромная доля нашей ДНК является интронным мусором, поскольку Природа в своей, как говорят, элегантной и экономичной, а на самом деле неряшливой манере не обременяет себя подметанием ставшего ненужным мусора, а просто тащит его через поколения. Это довольно странно, поскольку означает, что огромная часть точнейшего ресурса и энергии уходит на распространение бесполезных вещей. Возможно, мусор имеет функцию, о которой мы пока не знаем. Возможно, это совершенный способ обеспечения передачи через поколения информации, никогда себя не проявляющей, чтобы не подвергать риску сопутствующую явную активность. Мусор в ДНК может быть чистой, вечной, невыразимой информацией, не имеющей другой цели, кроме бесцельного существования. Эта бесцельная часть ДНК ведет роскошную жизнь, поскольку 98 процентов ДНК, которую мы таскаем в себе, является мусором, и лишь 2 процента приносят пользу, кодируя белки.
Легко вообразить себе разнообразие мутаций ДНК. Мутация подстановки основанияпредставляет собой замену одного основания другим. Некоторые подстановки основания являются молчащими, в том смысле, что мутировавший кодон кодируется, теми же основаниями, что и первоначальный, так что это не влияет на результирующий белок. Однако другие подстановки основания могут изменить послание, и серьезность последствий зависит от того, в какой степени замещающая аминокислота в результирующем белке отличается от первоначальной. Мутации добавленияи уничтожениясостоят в добавлении или уничтожении пары оснований: они могут нарушать интерпретацию ДНК, потому что вместо …ATGGTCT…, читаемого как …(ATG)(GTC)(T…, уничтожение второго T приводит к тому, что послание читается как …(ATG)(GCT)(…, и с этого места белок может строиться совсем по-другому и функционировать неправильно. С другой стороны, он может сделать более прочными челюсти гепарда или более чувствительными органы обоняния оленя.
Мутации могут быть спонтанными или индуцированными. Спонтанные мутации происходят с постоянной скоростью и образуют «молекулярные генетические часы», которые постоянно отсчитывают время в биосфеpe. Скорость мутаций данного гена приблизительно постоянна, поэтому регистрируя число аминокислот, которыми различаются друг от друга два вида, мы можем судить о времени, прошедшем с тех пор, как они отделилась от общего предка. Именно этот род информации мы имели в виду в главе 1, когда отмечали, что эволюция предсказуема, поскольку не было ни одного случая, когда информация этого рода пришла бы в конфликт с информацией о последовательности видов. Молекулярные часы также дают количественное подкрепление кладистическим диаграммам поколений подобным фрагменту на рис. 1.2 ), добавляя к ним шкалу времени. Кроме того, мутации могут быть индуцированы вышедшими из-под контроля воздействиями окружающей среды, такими, как облучение ядерной и ультрафиолетовой радиацией, попадание в организм химикалий и окисление опасными кислородсодержащими веществами, такими, как свободные радикалы (молекулы кислорода с дополнительным электроном): такова плата за использование кислорода и борьбу за долголетие.
Хотя центральная догма утверждает, что поток информации течет от ДНК через РНК к белкам, мы отмечали, что существуют исключения. Ретровирусысостоят из молекулы РНК, имеющей одну нить, которая для воспроизведения
себя обычно использует имеющую две нити молекулу ДНК своего хозяина. Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), вирус, вызывающий синдром приобретенного иммунного дефицита (СПИД), является ретровирусом: он атакует иммунную систему и открывает тело для неподконтрольных инфекций. Этот вирус выделили в 1983 г. Люк Монтанье в институте Пастера в Париже, Роберт Галло в Национальном институте рака в США и Джей Леви в университете Калифорнии в Сан-Франциско. Вирус ВИЧ прикрепляется к Т-лимфоцитам, белым кровяным тельцам определенного типа, которые содержат свою РНК и фермент, называемый обратной транскриптазой. Эти молекулы попадают в окрестность молекулы ДНК в хромосоме, и фермент синтезирует ДНК-версию вирусной РНК и копию этой вновь образованной ДНК. На этой стадии возникает версия вирусной РНК в виде ДНК из двух нитей. Эта ДНК встраивается в ДНК хозяина, а затем из новой ДНК с помощью репликаторного механизма клетки синтезируется вирусная иРНК. Теперь вирусная иРНК интерпретируется так, что производит белки, необходимые для построения большего количества вирусных частиц. Эти частицы потом отпочковываются от клетки, используя часть стенки клетки как свою защитную мембрану. Такой процесс уничтожает оболочку лимфоцита и неизбежно убивает его, уменьшая возможности организма сопротивляться атакам других инфекций. Считается, что ретровирусы также являются возбудителями различных видов рака, включая некоторые виды, обнаруживаемые у человека.Рестриктивный фермент— это фермент, вырабатываемый разными видами бактерий, который способен опознавать частные последовательности нуклеотидных оснований в молекуле ДНК и перерезать ее в этом месте. Фрагменты ДНК, произведенные таким способом, могут соединяться вместе с ферментом, называемым лигазой. Кусочки ДНК, которые могут воспроизводиться независимо от ДНК клеток хозяина, в которых они выросли, называются векторами;они включают плазмиды, круглые молекулы ДНК, обнаруживаемые в бактериях. Молекулы векторов, которые имеют встроенные секции ДНК, называются рекомбинантамиДНК. Эти векторы производят множество копий частных кусочков ДНК, умножая исходный материал и продуцируя большое количество клоновДНК. Поселенцы колонии, сформированной таким способом, могут быть желанным приобретением, как в производстве продукта генетической инженерии инсулина, или — как при генной терапии — могут быть возвращены в исходный организм.
Более современные методы изменения ДНК включают прямую технику микроинъекции, в которой генетический материал, содержащий новые гены, вводится в клетки реципиента посредством стеклянной иглы с тонким концом. Клетка после этого выглядит как своя собственная (или, по крайней мере, как чужая собственная) и создает механизм, с помощью которого безотказно снабжает генами ядра клеток хозяина и встраивает эти гены в них. Гены также можно встраивать, создавая поры в мембране клетки и предоставляя входящим генам возможность искать собственный путь внутрь. В химическом порообразованииклетки погружают в раствор специальных химикалий; в электропорообразованииклетки подвергают действию слабого электрического тока. Если вы полагаете, что эти техники слишком уж рафинированы, вы можете прибегнуть к биобаллистике, в которой маленькие осколки металла одевают в генетический материал и затем просто выстреливают в клетку. Тут мне вспоминается сцена в одном из фильмов про Индиану Джонса, где, после того как его оппонент продемонстрировал замечательно отработанные приемы традиционного фехтования, Джонс случайно выстрелил в него.
Раз уж мы заговорили о стрельбе, то еще одним важным следствием понимания структуры ДНК является ее использование в судопроизводстве в форме ДНК-профилирования, или, говоря менее формально ДНК-дактилоскопии. Настоящая дактилоскопия, снятие образцов узора на коже подушечек пальцев, была предложена как способ опознания подозреваемых в 1880 г. Генри Фаулдзом, шотландским врачом, работавшим в Токио. Вскоре после этого она была использована для снятия подозрений с невиновного и для опознания преступника в совершенной там ночной краже со взломом. Через сотню лет, после того как Алек Джеффрис в 1984 г. в университете в Лестере создал ДНК-дактилоскопию, опознание личности продвинулось от кончиков ее пальцев к каждой клетке ее тела. Нам следует усвоить две черты этой техники: одна — умножение микроскопических количеств ДНК, другая — реальная дактилоскопия. ДНК-профилирование является столь важной техникой в судопроизводстве, в установлении родственных связей и в эволюционных исследованиях, что оно претерпело чудовищно бурное развитие за последние двадцать лет, обрастая различными особенностями, для использования в различных обстоятельствах. Дадим краткое описание типичного подхода.
Кэри Муллис (р. 1944), изобретатель полимеразной цепной реакции(ПЦР), говорит, что эта идея пришла ему в голову в 1983 г. во время поездки при лунном свете в горах Калифорнии, где, должно быть, пролегает одна из приятнейших дорог к завоеванию Нобелевской премии. Полимераза, напомним, является ферментом, который помогает копировать нить ДНК, используя ее как шаблон; тот же фермент можно использовать в искусственной среде. Чтобы последнее стало возможным, фермент необходимо обильно снабжать нуклеотидными основаниями и двумя праймерами, представляющими собой короткие последовательности приблизительно из дюжины нуклеотидов; это позволяет реакции продолжаться. Сначала, при нагревании смеси, нити ДНК разделяются (ДНК «плавится»), затем раствор охлаждают, чтобы праймеры могли прикрепиться к соответствующим частям нитей ДНК — молекулы праймеров проталкиваются до тех пор, пока не найдут свое точное дополнение, а затем сцепляются с ним — и действовать как ограничители той части молекулы, которую надо скопировать. В конце температуру снова повышают до значения, при котором полимераза может эффективно функционировать, и на шаблоне растет комплементарная нить. Поскольку фермент должен выдерживать высокие температуры фазы плавления, он экстрагируется из бактерий, таких как Thermus oguaticus, которые живут в горячих источниках. Полный цикл занимает около трех минут. Затем его повторяют снова и снова, от тридцати до сорока раз, постепенно производя десять миллионов копий лоскутков исходной ДНК, лежащих между маркерами праймеров (рис. 2.16). Это означает, что даже из микроскопического образца ДНК нужная область может быть увеличена и сделана пригодной для экспертизы.