Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции

Проблема, по мнению Крика, состояла в том, что тРНК будут прибывать в случайном порядке, по мере их появления рядом с мРНК, и связываться с ближайшим соответствующим кодоном. Но если не начинать с начала и не заканчивать в конце, как они узнают, где начинается и где заканчивается один кодон? Как они смогут найти правильную рамку считывания? Если последовательность содержит фрагмент АТЦГТЦ, то одна тРНК может связаться с кодоном АТЦ, а другая — с кодоном ГТЦ, но что помешает соответствующей тРНК узнать кодон ЦГТ в середине этого фрагмента и тем самым транслировать совсем не то, что нужно? Предложенный Криком ответ на этот вопрос предполагал категорический запрет подобных вещей. Раз матрица в целом должна читаться однозначно, значит, не все кодоны должны иметь смысл. Какие же из них требовалось запретить? Ясно, что последовательности, состоящие только из А, только из Ц, только из Т или только из Г, должны были оказаться под запретом: в цепочке АААААА нельзя найти правильную рамку считывания. Затем Крик проверил все другие трехбуквенные комбинации. Он рассуждал примерно так: если АТЦ имеет смысл, то все циклические перестановки этих трех букв (ТЦА и ТАЦ) должны быть под запретом. Сколько возможностей это нам оставляет? Снова двадцать! (Из шестидесяти четырех возможных кодонов AAA, ТТТ, ЦЦЦ и ГГГ исключаются. Остается шестьдесят. Из каждых трех вариантов циклических перестановок допустим только один, значит, делим шестьдесят на три.)

В отличие от перекрывающихся кодов, код Крика не накладывал никаких ограничений на порядок аминокислот в белке и не предполагал, что точечная мутация будет непременно менять две или три аминокислоты. Когда была выдвинута эта гипотеза, казалось, она дает прекрасное решение проблемы рамки считывания и при этом сокращает число кодонов с шестидесяти четырех до двадцати, что соответствует числу аминокислот в белках. Эта гипотеза ничуть не противоречила всем имеющимся на тот момент данным. И все же она ошибочна. Спустя несколько лет выяснилось, что искусственно полученная РНК, состоящая из кодонов ААА (запрещенных Криком), все же кодирует аминокислоту лизин и может транслироваться в белковую цепочку, состоящую исключительно из лизина.

К середине 60-х годов, когда были усовершенствованы экспериментальные методы, нескольким исследовательским группам удалось шаг за шагом выяснить, что на самом деле представляет собой генетический код. После всех попыток расшифровать его открывшаяся картина вызывала глубочайшее разочарование. Оказалось, что никакого изящного нумерологического решения не было, а код просто вырожден (это значит, что в нем полно излишеств). Три аминокислоты кодируются шестью разными кодонами каждая, в то время как другие кодируются лишь одним или двумя. Все кодоны идут в дело: три кодона означают «стоп» (конец трансляции), а все остальные кодируют ту или иную аминокислоту. Выходило, что в генетическом коде нет никакого порядка, никакой красоты. Этот пример может служить нагляднейшим опровержением мысли, что красота может служить проводником к научной истине [11] . Судя по всему, в основе кода не было и никакой структурной логики: между аминокислотами и соответствующими им кодонами не было ни особой химической, ни особой физической связи.

11

Природа решает проблему рамки считывания очень просто: последовательно читая каждую молекулу матричной РНК. Молекулы транспортной РНК не пристраиваются к мРНК как поросята к свиноматке, а сменяют друг друга в ходе удивительного автоматизированного процесса. Молекула мРНК проходит сквозь рибосому, как магнитофонная лента вдоль магнитной головки, и записанные в ней кодоны считываются молекулами тРНК один за другим, пока рибосома не доходит до стоп-кодона. Белок при этом синтезируется не в самом конце, а в процессе считывания, постепенно наращиваясь, и, наконец, отделяется от рибосомы, когда она доходит до стоп-кодона. По одной и той же цепочке мРНК могут одновременно двигаться несколько рибосом, и каждая из них по ходу движения синтезирует одну молекулу белка.

Крик объявил этот удручающий код «застывшей случайностью», и большинство исследователей не могло с ним не согласиться. По мнению Крика, код застыл оттого, что любые покушения на его структуру (попытки его разморозить) имели бы слишком серьезные последствия. Единственная точечная мутация может изменить ту или иную аминокислоту, расположенную в определенном месте определенного белка, но любое изменение самого кода приводило бы к катастрофическим переменам во всех белках без исключения. Разница между этими событиями соответствовала бы разнице между случайной опечаткой в книге, не особенно меняющей ее смысл, и изменением одной буквы на другую во всем алфавите, что превращало бы весь текст в абракадабру. Поэтому, как считал Крик, после того, как код был выбит на скрижалях, любые покушения на него карались смертью. Эта точка зрения и сегодня широко распространена среди биологов.

Но предполагаемая Криком «случайная» природа кода ставила одну проблему. Почему такая случайность была всего одна? Почему не несколько? Если код произволен, то один код не должен быть особенно лучше другого. Не было никаких оснований считать, что отбор некогда создал своего рода «бутылочное горлышко», при прохождении через которое один из вариантов кода обладал бы, по словам Крика, «таким селективным преимуществом над всеми конкурентами, что сохранился бы только он один». Но если никакого «бутылочного горлышка» не было, то почему мы не наблюдаем сосуществования разных организмов с несколькими разными кодами? Крик всерьез задумался над этим вопросом.

Самый очевидный ответ предполагал, что все живое на земле происходит от общего предка, у которого генетический код уже был жестко закреплен. Говоря об этом в философском ключе, можно было сказать, что жизнь возникла на Земле лишь однажды, в связи с чем ее возникновение казалось событием уникальным и почти невероятным, может быть даже совершенно исключительным. По мнению Крика, это заставляло предположить заражение — однократное занесение жизни на нашу планету. Он стал отстаивать идею, что жизнь была «посеяна» на Земле в форме бактериальных клонов единственного внеземного организма. Крик пошел еще дальше: принялся доказывать, что эти бактерии были преднамеренно посеяны на Земле неким инопланетным разумом с помощью космического корабля. Крик назвал подобный сценарий «направленной панспермией». Эту тему он разработал в книге «Жизнь как она есть», опубликованной в 1981 году. Мэтт Ридли в своей превосходной биографии Крика писал: «Предмет этой книги вызвал немало удивления. Великий Крик пишет об инопланетных жизненных формах, рассеиваемых во Вселенной космическим кораблем? Не слишком ли успех вскружил ему голову?» Действительно ли идея случайного кода оправдывает столь далеко идущие философские выводы — вопрос спорный. Чтобы код прошел через «бутылочное горлышко», не требуется, чтобы определенный его вариант имел какие-то особые преимущества перед другими. Сильный отбор по любому признаку, хотя бы и в результате исключительного события, например столкновения с Землей астероида, вполне мог истребить все живое на планете, кроме потомков единственного клона, которые по определению должны были обладать только одним вариантом кода. Так или иначе, Крик не вовремя выдвинул свою идею направленной панспермии. Как раз в начале 80-х годов, когда он писал свою книгу, стало ясно, что генетический код нельзя считать ни застывшим, ни случайным. В нем есть скрытые закономерности, своего рода «код внутри кодонов», дающий нам ключи к разгадке тайны происхождения нашего кода, возникшего почти четыре миллиарда лет назад. Теперь мы знаем, что он представляет собой не тот жалкий шифр, который так разочаровал в свое время криптографов, а единственный в своем роде код из миллиона возможных, способный противостоять изменениям и одновременно ускорять ход эволюции.

Код внутри кодонов! С 60-х годов в генетическом коде выявили целый ряд закономерностей, но большинство из них легко было отбросить как обыкновенный статистический шум (что, собственно, и делал Крик). Казалось даже, будто совокупность этих закономерностей не несет особого смысла. Хороший вопрос — почему так казалось. Этим вопросом задался калифорнийский биохимик Брайан Дэвис, уже давно интересовавшийся корнями генетического кода. Он отмечает, что сама идея «застывшей случайности» погасила интерес к проблеме происхождения кода. Какой смысл изучать происхождение случайности? Случайности случаются, только и всего. Кроме того, по мнению Дэвиса, те немногие исследователи, которые продолжали интересоваться этой проблемой, пошли по ложному пути, ухватившись за наиболее популярную в то время идею первичного бульона. Если генетический код возник в таком бульоне, то он должен восходить к молекулам, возникновение которых в результате происходивших в таком бульоне физических и химических процессов особенно вероятно. А это заставляло предположить, что в основе кода лежал некий базовый набор аминокислот, а все остальное добавилось позже. Истины в этой идее было ровно столько, чтобы данные, свидетельствующие в ее пользу, производили сильнейшее впечатление, хотя в действительности они лишь сбивали с толку. Смысл закономерностей генетического кода мы начинаем понимать лишь тогда, когда рассматриваем его как продукт биосинтеза, то есть продукт клеток, способных синтезировать собственные «строительные блоки» из водорода и углекислого газа.

Так что же собой представляют эти неочевидные закономерности? С каждой буквой триплетного кода связана некая закономерность. Особенно красноречивы свойства первой буквы, поскольку она касается процесса, позволяющего поэтапно превращать несложные вещества-предшественники в аминокислоты. Принцип, лежащий в основе этой закономерности, настолько поразителен, что его стоит здесь изложить в двух словах. В клетках современных организмов аминокислоты синтезируются посредством целого ряда биохимических преобразований, начинающихся с нескольких несложных веществ-предшественников. А удивительно здесь то, что между первой буквой триплетного кодона и этими несложными предшественниками есть определенная связь. Так, все аминокислоты, предшественником которых оказывается пируват, соответствуют кодонам, начинающимся с одной и той же буквы — в данном случае Т [12] . Я привел в качестве примера именно пируват, потому что мы уже встречались с этим веществом в главе 1. Оно может образовываться в гидротермальных источниках из углекислого газа и водорода при участии катализаторов — ими могут служить присутствующие в таких источниках минералы. Но это относится не только к пирувату. Предшественники всех аминокислот участвуют в цикле Кребса — основе биохимии всех клеток, и должны образовываться в щелочных гидротермальных источниках, которые мы обсуждали в главе 1. Напрашивается вывод (на данном этапе, надо признать, поверхностный, но нам еще предстоит его уточнить), что между первой буквой триплетного кода и гидротермальными источниками существует какая-то связь.

12

Названия веществ-предшественников нам здесь не важны, но я все-таки приведу их: если первая буква кодона — Ц, то кодируемая им аминокислота будет производным альфа-кетоглутарата, если А — то оксалоацетата, если Т — пирувата. Наконец, если первая буква — Г, то аминокислота образуется в ходе единственной реакции одного и того же типа из одного из нескольких простых предшественников.

А как обстоят дела со второй буквой? Здесь наблюдается связь со степенью растворимости (или нерастворимости) аминокислоты в воде, то есть гидрофильности (или гидрофобности). Гидрофильные аминокислоты растворяются в воде, в то время как гидрофобные с ней не смешиваются, а растворяются в жироподобных веществах, таких как липидные мембраны клеток. Все аминокислоты можно распределить по своего рода спектру, начиная от «очень гидрофобных» и заканчивая «очень гидрофильными». Именно этот спектр имеет связь со второй буквой триплетного кода. Пяти из шести самых гидрофобных аминокислот соответствуют кодоны с буквой Т в середине, а всем самым гидрофильным — кодоны с буквой А в середине. Промежуточным аминокислотам спектра соответствуют кодоны с буквой Г или Ц в середине. Таким образом, чем бы это ни объяснялось, в целом наблюдается сильная и вполне определенная связь между первыми двумя буквами каждого кодона и той аминокислотой, которую этот кодон кодирует.

Именно последняя буква приводит к вырожденности кода: восьми аминокислотам свойственна (прекрасный научный термин!) четырехкратная вырожденность. Хотя большинству читателей может показаться, что четырехкратная вырожденность означает совершенно опустившихся людей, пьяниц, которым удается падать в четыре разных канавы одновременно, биохимики обозначают этим термином ситуацию, когда третья буква кода не несет никакой информации. Независимо оттого, какое азотистое основание стоит на этом месте, во всех четырех случаях триплет кодирует одну и ту же аминокислоту. Например, в триплете ГГГ, кодирующем глицин, можно заменить последнюю Г на Т, А или Ц — и все три новых триплета будут по-прежнему кодировать глицин.

Вырожденность кода по третьей букве имеет несколько интересных следствий. Мы уже отмечали, что дублетный код мог бы кодировать только шестнадцать из двадцати входящих в состав белков аминокислот. Если исключить из их списка пять самых сложных (оставив, таким образом, пятнадцать, плюс стоп-кодон), закономерности, касающиеся первых двух букв, окажутся выражены еще ярче. Так что, возможно, код первоначально был дублетным и лишь потом расширился до триплетного в результате «присвоения кодонов»: аминокислоты могли соперничать друг с другом за третью букву. Древнейшие аминокислоты, вероятно, получили «нечестное» преимущество в борьбе за «прикарманивание» триплетных кодонов, и очень похоже, что так оно и было. Например, те пятнадцать аминокислот, которые скорее всего кодировались первоначальным дублетным кодом, загребли себе 53 из 64 возможных триплетов (в среднем 3,5 кодона на аминокислоту), в то время как оставшиеся пять «позднейших» аминокислот разделили между собой лишь восемь кодонов (в среднем 1,6 на аминокислоту). Очень похоже, что здесь кто успел, тот и съел.