Журнал «Компьютерра» № 25-26 от 11 июля 2006 года (645 и 646 номер)

НОВОСТИ: Не ограничимся, однако

Автор: Сергей Борисов

Интереснейшие данные французских ученых о возможной роли РНК в формировании парамутаций (см. «КТ» #643) сулят открытие неведомого ранее механизма сохранения макромолекулярной информации в клетке. Да, что и говорить, времена, когда в науке царствовала унылая «центральная догма молекулярной биологии» («информация передается строго по оси ДНК—РНК—белок»), остались далеко в 60-х годах прошлого века. Жизнь в царстве макромолекул оказалась куда более утонченной.

РНК может быть единственным носителем генетической информации в вирусах и переписываться на ДНК. Ген представляет собой запись осмысленных фрагментов кода, перемежающихся абракадаброй. РНК может сама себя разрезать на части и склеивать. Гены перемещаются с места на место… Даже пресловутый «случайный мутагенез» оказался не так прост — в геноме есть более и есть менее подверженные ему участки, а сам процесс ускоряется под влиянием стресса, как будто сигнализирующего, что адаптация организма к среде нарушена и пора приниматься за эволюционные реформы. ДНК оставила пьедестал, на котором начала было бронзоветь как величественный и неподвижный носитель сокровенной эволюционной мудрости. Она живет сиюсекундной, бурной жизнью, интенсивно взаимодействует с другими молекулами и порою подвергается кардинальным преобразованиям — вот новые тому примеры.

Хрестоматийное положение о том, что больше 99% разновидностей генов в организме человека не наследуются от папы и мамы, а образуются заново, недавно нашло впечатляющую аналогию у более простого организма. Напомним, что Сусуму Тонегава (Susumu Tonegava) еще в 1987 году получил Нобелевскую премию за схему перетасовки простых генетических заготовок, из которых уже после рождения возникают миллионы свежих генов для белков иммунитета. Нести весь этот груз в геноме и передавать из поколения в поколение было бы чересчур громоздким предприятием. Меж тем разнообразие белков иммунитета (антител и клеточных рецепторов лимфоцитов) жизненно важно — среди них всегда должны найтись такие, которые, как ключ к замку, подойдут к любому чужеродному антигену. Аналогичную задачу подбора решает вирус бактерий (бактериофаг), атакующий микроорганизмы рода Bordetella (к их числу относится возбудитель коклюша B. pertussis).

Орудием поражения служит лектин — белок, способный распознавать и связывать определенные структуры на поверхности микроорганизмов. Бактерии постоянно мутируют, и, чтобы угадать наверняка, фаг идет по пути генерации большого числа разных вариантов лектинов. Как показала руководимая профессором Парто Гош (Partho Ghosh) команда исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего, разнообразие генерируется на этапе копирования последовательности ДНК в матрицу РНК. В геноме вируса есть двенадцать особых участков, которые могут по-разному считываться в ходе копирования, а значит, вести к синтезу разных аминокислот. Итоговое число вариаций структуры белка, по данным ученых, превышает десять триллионов, и все на основе одного-единственного гена. Обратим внимание, что и при формировании иммунитета, и в примере с фагом смысл положения о передаче информации в направлении ДНК — белок размывается совершенно. От ДНК в этих случаях вообще не требуется какой-либо специфической, упорядоченной структуры — напротив, чем хаотичнее будет последовательность нуклеотидов, тем больше гарантий успеха в создании конечного разнообразия белков.

Что интригует по-настоящему, так это возможная роль генных перетасовок в возникновении сознания. Соратник Тонегавы по исследованию иммунитета (и тоже нобелевский лауреат) Джеральд Эдельман (Gerald Edelman) выдвинул теорию, в соответствии с которой работа мозга напоминает иммунную реакцию и аналогично строится по принципу «ключ-замок». Только в качестве этой пары объектов выступают, с одной стороны, созданные мозгом образы, а с другой — определенным образом организованные группы нейронов. В ходе обучения каждая группа клеток настраивается на обработку только определенных образов — к замочку подбирается специальный ключик. Предполагается, что мышление — это процесс взаимодействия таких уникально настроенных клеточных ансамблей, а сознание — циркуляция, повторный вход нервных импульсов в сетях клеточных групп. Понятно, что работа такого механизма сильно облегчалась бы, если б нейроны могли активно формировать какие-либо отличия друг от друга в ходе их «затачивания» под разные образы.

Так вот, Фред Гейдж (Fred Gage) и его коллеги из калифорнийского Salk Institute for Biological Studies привели доказательства того, что вклад в формирование индивидуальных особенностей нейронов могут вносить случайные перемещения мобильных генетических элементов, или «прыгающих генов». Они изучали поведение в клетках экспериментальных животных мобильных генетических элементов LINE-1 (L1). L1 относятся к элементам «мусорной» ДНК и присутствуют в геноме человека в количестве полумиллиона копий (17% всего генома). Большинство L1 утратило способность к перемещениям, но некоторое количество генов, измеряемое, видимо, сотнями, путешествует по геному способом copy-paste. Такое явление обнаружено в клетках половых желез (оно, вероятно, причастно к изменению наследственных свойств), а вот самостоятельная активность такого рода в клетках мозга — это новость. В отличие от клеток половых желез, где направление перемещения L1 более или менее случайно, в нейронах скачки оказались относительно приуроченными к местам расположения активных генов. И, значит, могут влиять на их работу и вносить вклад в создание функционального разнообразия нервных клеток.

Но стоит ли все время идти на поводу у фактов? Порою для развития познания полезными бывают чисто гипотетические построения — и вот для примера два таких предположения, направленных на ниспровержение особой роли ДНК и уравнивание «рангов» в макромолекулярном царстве. Не факт, что в эволюции изначально возникла схема передачи информации «нуклеиновые кислоты — белок», а не наоборот. Возьмем стадию «первичного бульона», в котором происходило образование органики — без такой стадии трудно представить процесс эволюции. И теоретические выкладки, и проведенные эксперименты показывают, что образование в подобных условиях структур типа простейших пептидов несравненно вероятнее, чем фрагментов нуклеиновых кислот. Возможно, первым носителем биологической информации был белок, и он же приобрел способность программировать образование ДНК и РНК, которые работали исполнителями. Затем, как нередко бывает, роли поменялись — к этому предрасполагает несравненно больший спектр рабочих возможностей белка. Именно из аминокислотного конструктора можно строить по-настоящему эффективные катализаторы и прочные опорные структуры.

И еще об этих молекулярных братьях-сестрах, ДНК-РНК. Все уже привыкли, что они образуются посредством матричного копирования. А между тем лишь пара шагов отделяет их от прямого превращения друг в друга. Достаточно окислить дезоксирибозу во второй позиции и деметилировать тимин — и РНК из ДНК сделана. Зеркальное превращение — и снова ДНК. Реакции окисления-восстановления и метилирования-деметилирования вполне банальны для биохимической машины клетки, однако ферментативные системы, которые занимались бы именно взаимопревращением нуклеиновых кислот, неизвестны. Пока неизвестны — а ведь могли бы составить основу необычных механизмов передачи информации, обнаруженных у резуховидки Таля и бурого хомячка (см. «КТ» #585, 643). Ведь есть же мнение, что наш мир так хитро устроен, что придумать нечто совсем уж не отвечающее действительности, просто не удается.