Геном

Представление генома в виде книги — не простая мета­фора. Между ними много общего. Книга — это информация, записанная строкой дискретных знаков с заданным направ­лением чтения. Информация кодируется с помощью ком­бинаций ограниченного числа символов (алфавита), в ре­зультате чего образуется огромное число слов (лексикон). В геноме все происходит точно так же. Небольшое отличие состоит в том, что в русском языке текст всегда читается слева направо, а гены на хромосоме могут считываться в раз­ных направлениях, но никогда — в обоих сразу. (В литерату­ре геном еще часто сравнивали с копиркой. Но мне не нра­вится это сравнение, во-первых, потому что в наше время компьютеров уже мало кто знает, что такое копировальная бумага, а во-вторых — потому что это сравнение неправиль­но по своей сути. Лист бумаги с копиркой представляет со­бой двухмерную, а не линейную структуру, в которой инфор­мация не считывается, а передавливается.)

Еще одно отличие состоит в том, что слова в книгах могут иметь разную длину, а каждое «слово» генетического кода всегда имеет длину в три нуклеотида, которые обозначают­ся следующими буквами: А (аденин), С (цитозин), G (гуанин) и Т (тимин). Кроме того, текст генома записан не на бумагу, а инкрустирован в длинную полимерную цепь остатков саха­ра рибозы и фосфорной кислоты, известную как ДНК (де- зоксирибонуклеиновая кислота). Каждая хромосома пред­ставляет собой пару длинных (очень длинных) спирально закрученных нитей ДНК, в которых буквы-нуклеотиды вы­глядят как боковые ответвления, обращенные друг к другу.Геном — это очень «умная» книга. При благоприятных условиях она может самостоятельно копироваться и читать­ся без чьего-либо участия. Копирование генома называется репликацией, а считывание «рецептов» для приготовления белков — трансляцией. Репликация возможна благодаря важ­ному свойству нуклеотидов — способности образовывать пары: А и Т тяготеют друг к другу, так же ведут себя G и С. В результате одноцепочечная молекула ДНК может быть за­травкой для образования своей комплементарной копии: к нуклеотиду А прикрепляется нуклеотид Т, к Т — А, к G — С, а к С — G. Затем парные нуклеотиды сшиваются в новую цепь ДНК. Именно в виде двойной спирали исходной и компле­ментарной цепей ДНК представлена в хромосомах.

Копия комплементарной цепи ДНК возвращает нас к исходной последовательности нуклеотидов. Например, по­следовательность ACGT копируется в комплементарную последовательность TGCA, а та, в свою очередь, вновь ко­пируется в ACGT. Благодаря этому ДНК может передавать­ся в неизменном виде из поколения в поколение, сохраняя записанную в ней информацию.

Трансляция — это более сложный процесс. Сначала на основе тех же принципов комплементарности нуклеоти­дов происходит копирование участка ДНК (транскрипция) в молекулу РНК. По химическому составу РНК лишь слегка отличается от ДНК. Это такая же линейная последователь­ность нуклеотидов, только вместо буквы Т (тимина) в ней используется буква U (урацил). Одноцепочечная молекула РНК, скопированная с ДНК, называется информационной РНК Эта молекула сразу же подвергается сложным фер­ментативным изменениям, в результате которых из нее вы­резаются интроны, а экзоны сшиваются в новую последова­тельность (сплайсингинформационной РНК).

Затем готовая информационная РНК захватывается в клетке микроскопическими тельцами — рибосомами, ко­торые сами частично построены из РНК. Рибосома пере­мещается вдоль информационной РНК, преодолевая за шаг один кодон, и преобразует генетический код в букву другого алфавита, состоящего из 20 разных аминокислот. Аминокислоты подносятся к месту сборки с помощью не­больших молекул транспортных РНК. (Для каждой амино­кислоты существует своя транспортная РНК.) По мере про­движения рибосомы вдоль информационной РНК растет цепь присоединенных аминокислот, последовательность которых точно совпадает с последовательностью соответ­ствующих кодонов в гене. После окончания трансляции всей информационной РНК цепь аминокислот сворачи­вается в трехмерную структуру, форма и свойства которой полностью определяются последовательностью аминокис­лот. Так образуется новое химическое соединение — белок, или протеин.

Практически все, из чего состоит наш организм, от во­лос до гормонов, — это белки или продукты их химической активности. В свою очередь, каждый белок — это трансли­рованный ген. Все биохимические реакции в организме проходят под контролем особых белков — ферментов. Даже процессы копирования и сборки молекул ДНК и РНК — ре­пликация и транскрипция — тоже находятся под контролем белков. Белки принимают участие в регуляции считывания генов. Чтобы запустить транскрипцию, регуляторные бел­ки прикрепляются к особым областям ДНК в начале гена — промоторам и энхансерам. В каждой ткани организма работа­ют только строго определенные гены.

Во время репликации генов иногда происходят ошиб­ки. Буква (нуклеотид) может быть пропущена или заменена другой буквой. Иногда целый фрагмент ДНК может быть удвоен, пропущен или развернут на 180°. Такие события на­зываются мутациями. Большинство мутаций никак не прояв­ляют себя. Например, если происходит замена одного кодо- на другим, кодирующим присоединение той же аминокисло­ты. (Четыре нуклеотида по три в каждом кодоне образуют 64 комбинации, которые кодируют только 20 аминокислот. Поэтому многие аминокислоты кодируются несколькими кодонами.)

Человечество накапливает примерно 100 новых мута­ций за одно поколение. Может показаться, что это не так много, ведь в геноме человека более миллиона кодонов. Но даже одна мутация в неудачном месте может оказаться фа­тальной.

Нет правил без исключений.

– Ф Не все гены человека находятся на его 23 хромосомах. Часть генов содержится внутри микроскопических клеточных включений, называемых митохондриями. Эти гены унаследованы еще с тех времен, когда мито­хондрии были самостоятельно живущими микроорга­низмами.

– Ф Не все гены являются фрагментами молекулы ДНК. Гены некоторых вирусов записаны в молекуле РНК.

– Ф Не все гены кодируют белки. Конечными продуктами некоторых генов являются молекулы РНК, в частно­сти рибосомальные и транспортные РНК.

– Ф Не всеми биохимическими реакциями управляют бел­ки. В некоторых реакциях в качестве катализаторов выступают молекулы РНК.

– Ф Не все белки кодируются одним геном. В построении некоторых белков участвуют несколько генов. И на­оборот, один ген может кодировать несколько белков в результате альтернативного сплайсинга информа­ционной РНК.

– Ф Не все 64 кодона определяют аминокислоты. Три из них, называемые стоп-кодонами, означают конец трансляции.

– Ф И наконец, не все фрагменты ДНК являются частями генов. Напротив, большая часть ДНК в хромосомах — это случайные последовательности нуклеотидов или многочисленные повторы, которые редко транскри­бируются в информационные РНК или никогда не транскрибируются. Такая ДНК называется бессмыслен­ной или эгоистичной.

Это тот минимум, который вам необходимо знать. Теперь можем приступать к экскурсии по геному человека.

От редактора перевода

Стремительное развитие генетики в последние два де­сятилетия называют не иначе как революцией. Начиная с 1990-х годов, когда в практику вошли новые методы ам­плификации (копирования участков хромосомы в лабора­торных условиях) и секвенирования (расшифровки) ДНК, каждый год приносит больше открытий, чем было сдела­но за все предыдущие годы, начиная со старины Менделя. Генетика развивается столь стремительно, что уследить за тем, как изменяются наши представления о фундамен­тальных основах жизни и наследственности не успевает не только широкая публика, но и специалисты. Это порожда­ет массу слухов и домыслов о страшных мутантах, которых коварные ученые штампуют в своих лабораториях, тогда как поразительные открытия новых методов диагностики и лечения генетических заболеваний, включая рак, оста­ются незамеченными или непонятыми. Книга Мэтта Ридли очень актуальна. Просто и доступно автор представил исто­рию генетики от первых догадок до ошеломляющего про­рыва, начавшегося с открытия структуры ДНК Уотсоном и Криком. Ридли не ограничивается сухими фактами из на­учных публикаций. Он удивительно точно передает атмос­феру неформальных научных дискуссий, когда ученые, не опасаясь критики строгих рецензентов, позволяют себе вы­сказывать рискованные гипотезы и резко критиковать сво­их оппонентов. На английском языке книга вышла в свет в конце 1999 года, в канун нового тысячелетия. С тех пор прошло уже почти семь лет. Год 1999-й уже кажется исто­рией. Одни гипотезы, о которых пишет Ридли, уже под­тверждены экспериментально, другие оказались ложными. Тем не менее книгаGenome: the autobiography of a species in 23 chapters по-прежнему занимает верхние позиции в рейтин­гах продаж по всему миру. В ней есть то, что не устаревает: дух научных открытий и история генетики, представлен­ная со всем драматизмом споров, дискуссий, озарений од­них ученых и черной завистью других.

Прошедшие семь лет принесли много новых открытий и изменили наши представления о тех вопросах, которые Ридли затронул в своей книге. Чтобы привести книгу в со­ответствие с уровнем знаний середины 2006 года, в текст добавлены врезки с упоминанием новых открытий и спра­вочной информацией. Врезки выглядят так:

Изменения именно в гене sonic hedgehog привели к тому, что предки китов и дельфинов лишились задних конечно­стей (Thewissen J. G. et al. 2006. Developmental basis for hind- limb loss in dolphins and origin of the cetacean body plan. PNAS, e-pub ahead of print).