Но перейдем к деталям. Из 64 кодонов 61 используется для кодирования аминокислот. Для одних кислот требуется до шести кодонов, для других хватает и одного. Если для кодирования одной аминокислоты нужно несколько кодовых слов, такой код называют вырожденным (звучит не очень-то приятно). Остальные три кодона не используются в производстве аминокислот, а служат так называемыми стоп-кодонами, которые сигнализируют: «На этом синтез белка заканчивается. Пожалуйста, больше не добавляйте новые аминокислоты». О начале сборки белка сигнализирует кодон, который одновременно отвечает за синтез аминокислоты метионина.
Итак, теперь мы знаем, как выглядит план синтеза белков, с чего он начинается, как кодируются аминокислоты и чем все заканчивается.
Это уже неплохо, но одной только инструкции недостаточно. Представьте себе следующую ситуацию: у вас есть план сооружения западни для тигра. В ней написано: «Вырой яму, прикрой ее тонкими ветками и положи аппетитную приманку». Вы берете лопату и принимаетесь за работу. Через несколько часов, когда вы стоите перед готовой западней, утирая пот и грязь со лба, к вам вдруг на всех парах несется мать вашего лучшего друга и кричит: «Ну где тебя носит? Свадебная церемония уже начинается. И зачем ты поставил торт посреди дороги-и-и
и
и
и
и?!»
Вы поняли, в чем проблема? План прекрасно сработал (о чем свидетельствует гневный голос, доносящийся из ямы), но время и место были выбраны неправильно. То же самое и с генами. Здесь тоже чрезвычайно важно, в каких клетках и с какой интенсивностью они начнут работать. Каким образом происходит регулирование генных функций, было показано в 60-е годы с помощью так называемого лактозного оперона.
Если предложить бактериям (в данном случае кишечным бактериям Escherichia coli – любимцам молекулярных биологов) питательный раствор с виноградным сахаром (глюкозой) и молочным сахаром (лактозой), то сначала перерабатывается весь виноградный сахар, поскольку он питательнее и легче усваивается. Только после этого бактерии принимаются за молочный сахар.
На генном уровне это выглядит следующим образом: лактозный оперон содержит план по синтезу белка, который отвечает за усвоение бактериями молочного сахара. Контроль за запуском этого плана и его интенсивностью осуществляется так называемым промотором – участком ДНК, который находится в непосредственной близости от места сборки белков. Он берет на себя функции центра управления. Если в клетке нет молочного сахара, центр управления заблокирован. За это отвечает лактозный репрессор – белок, который присоединяется к ДНК и мешает считывать инструкции. Это можно сравнить с ситуацией, когда вы в какой-то день решили ответить на все послания по электронной почте, но, как назло, постоянно звонит телефон и мешает вам. На одно-два письма вы еще как-то сможете ответить, но об эффективной работе можно забыть.
То же самое происходит и с лактозным опероном. Несмотря на помехи репрессора, он все же производит небольшое количество белков, но до тех пор, пока имеется виноградный сахар, эти белки не активизируются. И только когда вся глюкоза заканчивается, в клетку начинает поступать молочный сахар. Там он присоединяется к репрессору, который после этого отделяется от ДНК. Теперь лактозный оперон активизируется и начинает полным ходом производить белки до тех пор, пока не закончится весь молочный сахар. Затем репрессор вновь присоединяется к промотору и отключает его.
Если процесс переработки молочного сахара показался вам слишком скучным, у нас есть еще один пример генного регулирования. Это ген под названием Супермен, играющий важную роль в развитии мужских половых признаков цветка Arabidopsis thaliana (еще одного любимого объекта для биологических экспериментов). Небиологи пренебрежительно называют его сорняком. Активность Супермена сдерживается белком, за кодирование которого отвечает ген Криптонит. Кстати, существует и ген, обладающий очень большим сходством с Суперменом, но не столь сильный. Его название – Кларк Кент
[1].
Вырисовывается такая картина: фрагмент ДНК производит короткую РНК (матричную, или мРНК), которая, в свою очередь, кодирует синтез белка. А белок отвечает за какой-то признак (возможно, малосущественный). Все очень точно и целенаправленно… Но жизнь совсем не так проста. Наша биология отличается креативностью и изобретательностью. Если что-то вообще способно функционировать, то оно обязательно будет воплощено в жизнь. Может ли существовать функция, которая возлагается не на белок, а непосредственно на РНК? А почему бы и нет? А что, если слегка видоизменить мРНК, чтобы она производила другой вариант белка? Так тому и быть! И перечень подобных возможностей можно продолжать до бесконечности.
Но как же звучит официальное определение понятия «ген»? Если вам сразу не приходит на ум идеальная формулировка, не огорчайтесь. Это не так просто. Ведь стоит только кому-то решить, что найдено хорошее определение, как какой-то живой организм тут же демонстрирует исключение из правил. В 2006 году 25 ученых собрались на два дня, чтобы отыскать современное определение. У них получилось следующее: «Ген представляет собой локализованный участок генетического материала, который соответствует единице наследственности, связанной с регулирующими, транскрибирующими и/ или другими функциональными последовательностями».
Звучит не слишком складно, но это наверняка еще не последнее определение. Нам же пока достаточно знать, что ген – это единица наследственной информации, необходимая для выполнения какой-то определенной функции. Но не теряйте бдительности. Кто знает, что еще может придумать природа, чтобы опровергнуть этот постулат…
Можно с уверенностью утверждать, что ДНК является носителем информации, а белки – оперативными единицами, на которых строится вся жизнь на нашей планете. Поддержку им оказывает РНК – своего рода мальчик на побегушках, выполняющий все посреднические функции между ДНК и белком, а также способный хранить информацию и самостоятельно выступать в роли фермента.
Но откуда, собственно, берутся РНК, ДНК и белки? Как они складываются в великую картину жизни?
Глава 2
Кометы, РНК и кухня жизни
В этой главе перед нами встанет вопрос, что было в начале: курица, яйцо или нечто совершенно другое? Кроме того, речь пойдет о лотерейных выигрышах и о том, не забыли ли инопланетяне свой мусор на нашей планете.
Да забери же у меня вещи в конце концов, – тетя Хедвиг небрежно сует мне свой тяжеленный чемодан, промокшее пальто с цветочным узором и шляпку из тех, что можно увидеть только в романтических английских фильмах. Затем она проходит в комнату и осматривает ее оценивающим взглядом.
