Шуточная иллюстрация к знаменитому изречению Жака Моно. Масштабный отрезок составляет 1 микрометр (слева) и 1 метр (справа). Рисунок предоставлен доктором Саймоном Сильвером, Университет Иллинойса, Чикаго.
Глава 3. От E. coli до слона
Что верно для Е. coli, верно и для слона.
Жак Моно лауреат Нобелевской премии
"Мы хотим предложить структуру для соли дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Эта структура обладает новыми свойствами, представляющими значительный интерес для биологии". Такими словами начиналась статья, в которой в 1953 г. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик сообщили об открытии строения генетического материала. ДНК — это универсальный носитель информации во всех шести царствах организмов — бактерий, архей, простейших, грибов, растений и животных. Примерно через десять лет был разгадан еще один универсальный принцип организации живого — генетический код. Но, может быть, остались неоткрытыми другие универсальные закономерности? Клетки, ткани и органы (если они есть) представителей разных царств очень сильно различаются по важным параметрам. Внутри каждого царства тоже существует значительное разнообразие — например, к животным относятся как малюсенькие планктонные организмы, так и гигантские млекопитающие, морские и наземные. Классификация организмов, выводы о том, похожи они или не похожи друг на друга, в значительной мере основаны на их внешности. Поэтому бытует мнение, что чем сильнее животные различаются по внешнему виду, тем меньше между ними общего на генетическом уровне.
К концу этой главы вы поймете, что такая точка зрения не всегда справедлива. В этой главе нас ждет множество неожиданностей. Вы узнаете несколько историй о важных (и прекрасных!) открытиях, которые изменили наше представление об эволюции животных. Вы узнаете о глубоких и неожиданных связях между разными формами. Я начну с короткого рассказа об одной бактерии и на ее примере изложу основные законы генетики. Затем мы перейдем к более сложным созданиям, познакомимся с гомеозисными генами плодовой мушки и в конце концов охватим все царство животных.
Белки, ДНК и генетическая логика
Подумайте о различных типах клеток в нашем теле — что они делают и почему? Эритроциты переносят кислород к тканям, клетки пищеварительных органов участвуют в переваривании пищи, нервные клетки передают электрические импульсы по нервной системе, мышечные клетки приводят в движение различные части тела. Специализация этих клеток основана на выработке ими специфических белков — молекул, которые выполняют всю работу в организме. Эритроциты синтезируют кислород-связывающий белок гемоглобин, клетки поджелудочной железы — трипсин и другие белки, которые расщепляют пищу на отдельные компоненты, нейроны синтезируют белки, устанавливающие электрический потенциал, а мышечные клетки синтезируют белки, которые собираются в длинные волокна, определяющие силу мышц. Однако хотя все эти клетки заняты разной работой, все они содержат одну и ту же генетическую информацию, заключенную в молекулах ДНК. Тем не менее клетки каждого типа синтезируют специфические белки и отличаются от остальных. Избирательный синтез белков в строго определенных местах или в строго определенное время является основой для построения сложных организмов.
Прежде чем биологи разобрались, как устроены различные клетки в организме животных, им пришлось разгадать, как хранится, копируется и расшифровывается генетическая информация в простых организмах, таких как кишечная палочка Escherichia coli. Известно несколько штаммов бактерии Е. coli, среди которых есть как полезные, так и довольно опасные для нас. Для молекулярных биологов Е. coli оказалась замечательным союзником, который помог раскрыть основные правила логики и механизмов работы белков и генов. Информация, полученная с помощью этой простой бактерии, позволяет рассуждать о развитии и эволюции более сложных организмов.
Сначала интерес биологов к бактерии Е. coli возник в связи с явлением индукции ферментов. Е. coli предпочитает простому сахару глюкозу, но если глюкозы нет, она может расщеплять и использовать другие сахара. Сахар лактоза расщепляется на глюкозу и галактозу под действием фермента, называемого β-галактозидазой. Если Е. coli растет на среде с глюкозой или с другим источником сахара, β-галактозидаза образуется очень медленно и в очень небольшом количестве. Бактерия не тратит энергию на то, чтобы синтезировать белок, в котором нет нужды. Но когда глюкозы нет, а в среде появляется лактоза, скорость синтеза фермента увеличивается в тысячу раз, и его присутствие можно зафиксировать всего через три минуты. Каким-то образом бактерия ощущает присутствие лактозы и при необходимости начинает синтезировать нужный фермент. Как такая простая клетка "узнает", какой фермент производить? Каким образом синтез нужного фермента индуцируется в присутствии того самого вещества, которое он должен разрушить?
Ответы на эти вопросы нашли Франсуа Жакоб и Жак Моно, которые вместе с Андре Львовым в 1965 г. за свои открытия были удостоены Нобелевской премии. Ни одного из троих нельзя назвать теоретиком из "башни из слоновой кости". Жакоб и Моно пришли работать в Институт Пастера после Второй мировой войны, во время которой Моно участвовал во французском Сопротивлении, Львов собирал разведданные и иногда прятал у себя дома сбитых летчиков, а Жакоб был офицером медицинской службы в Северной Африке в составе движения "Свободная Франция", а потом был тяжело ранен в Нормандии в августе 1944 г. Историческое значение их работы, чрезвычайная важность следствий из нее, а также необыкновенные личные качества ее авторов делают историю открытия индукции ферментов и логики работы генов бактерии одной из наиболее драматичных историй в современной биологии.
Чтобы понять механизм индукции ферментов и его роль в сложных организмах, мы должны разобраться в основах структуры и функции ДНК, РНК и белков. Я согласен, что это может показаться трудным, но как только вы представите себе все эти компоненты в действии, вам станет ясна логика биологических процессов. А главное, вскоре нам предстоит сделать несколько больших открытий, оценить которые можно лишь тогда, когда вы поймете роль разных классов молекул, составляющих живой организм.
Связь между ДНК, РНК и белком заключается в следующем: ДНК служит матрицей для синтеза РНК, а РНК, в свою очередь, является матрицей для синтеза белка. Таким образом, заключенная в ДНК информация в два этапа перекодируется в белки, которые и выполняют всю работу в клетках и целых организмах.
Сначала я хочу рассказать вам о хромосомах, генах и ДНК (рис. 3.1). Любую очень длинную молекулу ДНК в клетке называют хромосомой. Гены представляют собой отдельные фрагменты молекулы ДНК. ДНК состоит из двух нитей, которые составлены из "кирпичиков", называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид содержит одно основание, а всего существует четыре вида этих оснований, которые обозначают буквами А, С, G и Т. Нити ДНК удерживаются вместе за счет сильных парных взаимодействий между основаниями, находящимися на противоположных нитях. В клетке может быть всего одна хромосома (как в E. coli), а может быть гораздо больше (у нас с вами их двадцать три пары). Уникальная последовательность нуклеотидов в ДНК (например, ACGTCGAATT...) определяет уникальную информацию, закодированную в каждом гене.
