Рис. 3.1. Хромосомы, ДНК и гены. Хромосомы — это длинные молекулы ДНК, состоящие из тысяч генов. ДНК состоит из двух нитей, образованных нуклеотидами (А, С, G и Т), которые удерживаются вместе за счет связей между основаниями на противоположных нитях. Отдельные гены — это участки последовательности ДНК разной длины. Рисунок Лианн Олдс.
Теперь давайте посмотрим, как происходит расшифровка заключенной в ДНК информации.
Первая стадия расшифровки информации гена называется транскрипцией. Этот процесс заключается в синтезе однонитевого транскрипта матричной РНК (мРНК), который комплементарен одной из двух нитей молекулы ДНК. Вторая стадия заключается в переводе последовательности мРНК в последовательность белка; этот процесс называется трансляцией (рис. 3.2). Для перевода РНК в белок используется универсальный генетический код. "Кирпичиками" для строительства белков служат аминокислоты, соединяющиеся в длинные цепи. Между последовательностью оснований в ДНК и последовательностью аминокислот в белке имеется прямое соответствие. Последовательность аминокислот в каждом белке определяет его форму и свойства: переносит ли он кислород, формирует мышечные волокна или расщепляет лактозу.
Рис. 3.2. Расшифровка информации, заключенной в ДНК, осуществляется в два этапа. На первом этапе происходит транскрипция ДНК с образованием матричной РНК (мРНК). На втором этапе происходит трансляция мРНК в молекулу белка. Рисунок Джоша Клейса.
Вернемся к Е. coli и попытаемся понять, каким образом бактерии удается синтезировать β-галактозидазу только тогда, когда в среде присутствует лактоза. Моно и Жакоб поняли, что синтез фермента контролируется переключателем, находящимся в гене β-галактозидазы. Когда лактозы нет, переключатель выключен, когда она есть — он включается. Переключатель состоит из двух основных компонентов: белка, называемого lac-репрессором, и короткой последовательности ДНК вблизи гена β-галактозидазы, с которой связывается белок lac-репрес-сор. Когда белок-репрессор связывается с этой последовательностью ДНК, ген выключается (репрессируется) и синтеза РНК и белка не происходит. Но в присутствии лактозы репрессор отсоединяется от ДНК и начинается синтез транскрипта РНК и фермента (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Роль переключателя в синтезе β-галактозидазы и метаболизме лактозы в клетках Е. coli. Когда лактозы нет, белок lac-penpeccop связывается с переключателем и подавляет транскрипцию. В присутствии лактозы репрессор отсоединяется от ДНК, начинаются транскрипция и трансляция и образуется фермент. Рисунок Джоша Клейса.
Контроль синтеза фермента с помощью lac-репрессора — классический пример логики регуляции работы гена: ген используется лишь тогда, когда это необходимо. Всего в клетках E. coli 4288 генов, но в каждый конкретный момент времени работает лишь часть из них. У человека более 25 000 генов, но в каждом конкретном типе тканей или органов используется лишь часть из них. Можно назвать две основные закономерности работы генов у бактерий, и мы еще неоднократно обратим на них внимание.
1 Регуляция работы гена осуществляется с помощью присоединения / отсоединения ДНК-связывающего белка к / от ДНК.
2 ДНК-связывающий белок узнает специфическую последовательность ДНК вблизи последовательности гена.
Невозможно переоценить значение открытия генетических переключателей в клетках бактерий. Жакоб и Моно не просто открыли элегантный механизм контроля клеточной физиологии. Это открытие позволило разгадать тайну клеточной дифференцировки в более сложных организмах, включая нас с вами. Ученые поняли, что функции клеток крови, головного мозга, мышц и т.д. определяются синтезом специфических для конкретной ткани белков. Открытие индукции ферментов в бактериях проложило путь к пониманию функции специализированных клеток в органах и тканях животных. Но Жакоб и Моно были не только талантливыми генетиками. Они прекрасно писали, и их научные статьи, опубликованные в начале 1960-х гг., относятся к числу самых красивых, четких и убедительных трудов во всей биологической литературе. Они писали и книги. Книга Моно "Случайность и необходимость" (Hasard et la Necessite) так же хорошо известна в литературных и философских кругах, как и в среде биологов. Жакоб тоже написал несколько классических книг, включая замечательную автобиографию.
Потенциальные следствия из этих открытий были настолько широки, что Моно остроумно заметил: "Что верно для E. coli, то верно и для слона". Это было смелое обобщение, учитывая состояние биологической науки в тот период.
До изучения генов слонов в 1965 г. было еще далеко. Прав ли был Моно? Действительно ли логика процессов в микроскопических бактериях распространяется и на более крупных и сложных обитателей Земли? Ответить на этот вопрос нам помог не слон, а маленькое насекомое — дрозофила, благодаря которой был сделан ряд совершенно неожиданных, революционных открытий. А началось все с тех же гомеозисных монстров.
Гомеобокс
Гомеозисные мутанты плодовых мушек манили к себе многих молодых биологов. Мушки с ногами на голове, с дополнительной парой крыльев или с ногами на месте ротовых придатков — возможно, их кинематографический вид способствовал их привлекательности в качестве научного объекта. Но все же, скорее всего, исследователей привлекало то, что все эти удивительные существа появлялись в результате мутации единичных генов. Как изменение в одном-единственном гене может так сильно изменить форму тела? В чем заключается "нормальная" функция этих удивительных генов?
Ответить на эти вопросы удалось благодаря развитию технологии клонирования генов. Как только метод клонирования стал применяться более широко, несколько смелых биологов занялись изучением гомеозисных генов дрозофилы. Этой работе помогли многолетние генетические исследования, показавшие, где именно на третьей (из четырех) хромосоме дрозофилы находятся эти гены. Оказалось, что все они организованы в два кластера, расположенных по соседству. Один кластер, названный комплексом Bithorax, содержит три гена, которые влияют на строение задней части тела мушки, другой кластер, названный комплексом Antennapedia, состоит из пяти генов, которые влияют на строение передней части тела. Более того, порядок расположения генов в кластерах соответствует порядку расположения тех частей тела, за формирование которых они отвечают (рис. 3.4). Эта интересная, но непонятная связь зародила в ученых надежду, что в этих комплексах генов кроется ключ к пониманию общей логики построения тела животного.
