Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем - Льюис Уолперт

ДНК и гены — гораздо более сложные образования, нежели было принято считать ранее. Появились данные, которые свидетельствуют о том, что области, отвечающие за кодирование белков некоторых генов, пересекаются со спиралями других генов, расположенных на большом расстоянии от них. Почему так происходит, не известно.

В течение долгого времени РНК считалась рядовым переносчиком генетической информации от генов к рибосомам, где происходит синтез белков. Однако совсем недавно стало ясно, что РНК выполняют и множество других функций. В ходе глобальных исследований, которые скоординированно проводились учеными многих стран, было выяснено, что существует множество РНК, являющихся копиями с отдельных участков ДНК, функции которых до конца не ясны. Ученые установили, что происходит значительное копирование генетической информации с ДНК на РНК, не связанное с целью последующего синтеза новых белков. Существует даже мнение, что количество подобных РНК превышает общее количество генов в клетках. Образующиеся в результате этого микро-РНК способны регулировать функции «основной» РНК и контролировать, будет ли синтезирован белок по ее матрице или нет. Некоторые микро-РНК контролируют группы белков, состоящих из сотен различных разновидностей.

Микро-РНК состоят всего из 20 нуклеотидов. Одна из их основных функций — связываться с РНК, содержащей информацию, необходимую для синтеза белка, и уничтожать ее, с тем чтобы данный белок не был синтезирован. Эти микро-РНК со всей очевидностью представляют собой еще один контрольный механизм клетки, регулирующий синтез отдельных видов белков.

Все белки синтезируются в рибосомах, содержащихся в цитоплазме клетки. Некоторые рибосомы прикреплены к таким внутренним структурам клетки, как оболочки эндоплазматического ретикулума. Белки, синтезируемые подобными рибосомами, поступают в эндоплазматический ретикулум и таким образом передаются в распоряжение своеобразной «почтовой службы» клетки, которая отправляет их в те места, где они нужны. Транспортировка белков происходит благодаря взаимодействию различных клеточных оболочек. Это — довольно сложная, но весьма эффективная «почтовая служба».

Существует и особая «пересыльная служба» для организации перемещений РНК, которые переносятся в те места, где необходимо появление новых белков, и только тогда, когда они туда попадают, синтез необходимых белков осуществляется.

Когда перемещается сама клетка, то ее передняя часть требует большого количества актина, из которого образуются волокна, позволяющие передней части клетки перемещаться вперед. В этом случае соответствующие РНК доставляются в переднюю часть клетки, и там синтезируется актин. Ученым еще предстоит выяснить, как РНК перемещаются в эту область клетки и каким образом синтез новых белков по их матрице задерживается, пока они там не окажутся.

При этом клетки «чувствуют» время. Функции тела в значительной степени зависят от суточного ритма, который нарушается, когда мы совершаем авиаперелеты в направлении на восток или запад. Этот ритм воздействует не только на цикл бодрствования и сна, но и на выделение гормонов и работу печени и почек. На формирование 24-часового цикла воздействует интенсивность дневного света: когда свет достигает сетчатки глаза, то соответствующие сигналы посылаются в особый отдел мозга — главный «хранитель времени» в организме. Однако биологические часы имеются не только в мозге: представляется, что каждая клетка нашего тела обладает своеобразным часовым механизмом. В таких разных тканях, как ткани печени и легких, присутствуют гены, которые активируются и деактивируются в зависимости от различных фаз 24-часового цикла.

Клетки, которые находятся в искусственной среде длительный срок — скажем, на протяжении двадцати лет, также способны подчиняться этому 24-часовому циклу. Вполне вероятно, что часовой механизм клеток куда больше влияет на состояние нашего здоровья, чем было принято считать ранее. И возможно, в будущем будут найдены более эффективные способы переводить биологические часы клеток на новое время.

Каждый человек обладает уникальным набором генов, если только у него не имеется брат-близнец. Благодаря этому анализ ДНК может использоваться для исключительно точной идентификации личности, что является весьма эффективным инструментом при расследовании уголовных дел и установлении личностей жертв катастроф.

Но содержащиеся в наших хромосомах ДНК не так стабильны, как можно было бы ожидать. Нуклеотиды могут перескакивать в структуре хромосомы с одного места на другое. Изменение структуры ДНК, вызванное заменой всего лишь одного нуклеотида, может иметь серьезные последствия, ибо следствием такого изменения становятся изменения в синтезируемых клеткой белках. Например, изменение нуклеотида в гене, отвечающем за синтез гемоглобина, приводит к серповидной анемии: белок получает из-за этого неправильную структуру и деформирует кровяную клетку, придавая ей ненормальную серповидную форму.

Мутации, то есть изменения в последовательности нуклеотидов в ДНК, случаются в первую очередь во время деления клетки и репликации всех ее составных частей. Однако ДНК может быть повреждена и из-за этого подвергнуться мутации не только в этот момент. ДНК, как и все остальные молекулы клетки, непрерывно бомбардируется другими молекулами, стремящимися найти себе подходящий объект, с которым они могли бы соединиться и создать новое химическое соединение. К сожалению, в результате некоторых таких столкновений структура ДНК может подвергнуться изменению — то есть место одних нуклеотидов в ней займут другие, в результате чего записанная в ней наследственная информация изменится. Очень часто это ведет к тому, что белки, синтезируемые по матрице измененной ДНК, приобретают новые свойства и не могут работать эффективно. Ультрафиолетовое и радиоактивное излучение, а также некоторые химические соединения также вызывают изменения в структуре ДНК, приводящие к мутациям.

При этом заметим, что в ходе эволюции были выработаны способы противодействия нежелательным мутациям и в случае повреждения цепочки ДНК немедленно вступают в действие особые механизмы по ее «ремонту». В этом случае спирали ДНК разводятся в разные стороны особыми белками в местах повреждения и «неправильный» нуклеотид заменяется на «правильный».

Когда мы говорим о перемещающихся генах, нельзя забывать о вирусах. Это не что иное, как гены, упакованные в защитную белковую оболочку. Вирусы сами по себе нежизнеспособны и воспроизводят себя только тогда, когда оказываются внутри клетки. Они используют для целей собственного воспроизведения внутриклеточные механизмы, созданные для репликации и размножения белков. В основе своей вирусы являются паразитами. Их размножение внутри клетки часто приводит к ее гибели, в результате чего клетка разрушается и выпускает из себя вирусы, которые заражают другие клетки.

Вирусы содержат простейшие геномы, необходимые для синтеза их защитной белковой оболочки и выработки энзимов, позволяющих воспользоваться клеточными механизмами воспроизводства и размножения. Оболочка простейшего вируса — пример возбудитель кори — состоит из белка одного вида и позволяет укрывать всего лишь три гена. Более сложные вирусы имеют несколько сотен генов и сложную оболочку. В дальнейшем мы рассмотрим вопрос о том, каким образом вирусы порождают болезни. Отметим, что гены некоторых вирусов являются не ДНК, а РНК.

Гены контролируют все, что происходит в нашем теле, — именно они определяют, какие белки и в каком количестве присутствуют в наших клетках. Однако у меня не вызывают симпатии рассуждения тех, кто приписывает влиянию генов все особенности человека — от красоты до нетерпимости. Коренятся или нет подобные отличительные черты в наших генах — слишком сложный вопрос. Сама его постановка может невольно ввести в заблуждение. Ведь, например, не существует единого гена, отвечающего за глаз. Многие сотни, если не тысячи генов влияют на развитие глаза, и при этом сбой или ошибка даже в одном из них может привести к возникновению серьезных отклонений.

Сам язык, при помощи которого обычно описываются многие явления, связанные с генами, часто провоцирует недоразумения. Ни один нормальный человек не возьмется утверждать, что автомобильные тормоза сконструированы для того, чтобы вызывать аварии. При этом, однако, очень часто можно встретить упоминания о «генах гомосексуальности» или «генах преступности».

Когда автомобильные тормоза, предназначенные для того, чтобы обеспечить безопасное вождение, отказывают, случается авария. Точно так же если преступные наклонности человека имеют некоторую генетическую основу, что отнюдь не является точно установленным фактом, то они проявляются не потому, что существует пресловутый «ген преступности», но потому, что изменения во множестве генов привели к нежелательным последствиям. Подобные изменения могли, например, повлиять на развитие мозга на ранней стадии или вызвать изменения в функционировании нервных клеток уже взрослого мозга.