Экспрессия генов Патрушев

11

Предлагаемая книга – плод эрудиции, вдохновения и самоотверженного труда Л.И. Патрушева и тех, чьи мысли и дела он цитирует, обсуждает, превозносит или критикует, – несомненно найдет множество благодарных читателей.

Ю. Берлин Ноябрь 1999 г.

12

Предисловие автора

Мы можем понять что-то в природе, только если мы размышляем о ней…

Вернер Гейзенберг

Предметные исследования, осознанно устремляясь к границам и истокам нашего бытия, становятся философскими.

Карл Ясперс

Направления молекулярной генетики, основанные на генной инженерии, начало которым было положено в 1970-х годах работами В. Арбера, П. Берга, Г. Бойера, С. Коэна и других зарубежных ученых, получили в последующие 25 лет стремительное развитие, открывшее новые горизонты биологической науки. Сегодня трудно представить себе какой-либо раздел молекулярной биологии или генетики, в котором не применялись бы достижения этих исследований. Области использования методов молекулярной генетики непрерывно расширяются, все больше охватывая, к примеру, фундаментальную и клиническую медицину, судебно-следственную практику и даже палеонтологию. Однако все эти достижения – лишь внешняя, хорошо видимая часть айсберга. Замена поврежденных генов на здоровые в генотерапии и "клонирование" многоклеточных организмов придают нашей жизни совершенно новое, грозное качество, так как ставят перед человечеством неведомые ранее этические проблемы. Для меня несомненно, что именно с 70-х годов XX в. начался новый этап эволюции биосферы Земли, все последствия которого мы еще не в состоянии предвидеть.

Работая, как и большинство из нас, в узкой области молекулярной генетики, я часто затрачивал значительные усилия на поиск сведений о какомлибо новом методе или молекулярном механизме, описание которых можно найти иногда лишь в труднодоступной англоязычной литературе. Постоянное общение с коллегами показывает, что блуждания по научной литературе в поисках ответа на теоретические вопросы, возникающие в процессе экспериментальной работы, не являются исключительно моими трудностями. Поэтому стремление сохранить время и облегчить жизнь коллегам-

13

экспериментаторам было одной из движущих сил, заставивших написать эту книгу.

Однако не только указанная причина побудила меня взяться за перо. Оборотной стороной лавинообразного накопления научной информации является размывание контуров целостной картины современных молекулярногенетических знаний. В соответствии с формулировкой Г. Вейля (берущей начало от Г. Галилея), метод естественных наук включает в себя пассивное наблюдение, уточняемое с помощью активного эксперимента, и построение символической конструкции, к которой в конечном счете сводятся естественнонаучные теории. Высшей формой символической конструкции является математическая формула. На пути к своей цели – символической конструкции, непротиворечиво объединяющей эмпирические факты, – естественно-научные теории неизбежно проходят предварительные стадии, в том числе и стадию классификации или морфологии.

То, что в основном происходит сегодня в нашей молодой области биологии, напоминает скрупулезные усилия ботаников или зоологовсистематиков, стремящихся как можно полнее описать фауну и флору нашей планеты. Открываются все новые и новые гены, ферменты, биохимические механизмы и метаболические пути, которые переплетаются в сложнейшие сети. Миллиарды пар оснований отсеквенированных последовательностей ДНК призваны внести ясность в наше понимание структуры и функционирования генома. И хотя это совершенно закономерный и необходимый этап развития науки, одних только эмпирических фактов явно недостаточно для наступления ясности.

Складывающуюся ситуацию, в частности хорошо иллюстрирует положение в современной онкологии. Громадные усилия и средства, затрачиваемые в мире на изучение молекулярных механизмов канцерогенеза, приносят обильные плоды в виде новых генов и белков-регуляторов клеточного цикла, передачи сигнала и механизмов регуляции апоптоза. Однако прямолинейные попытки управления экспрессией этих конкретных генов с помощью антисмысловых РНК, рибозимов, анти-генов и других современных молекулярно-генетических подходов пока не привели к удовлетворительным результатам в генотерапии онкологических (и каких-либо других системных) заболеваний. Заболеваемость раком, в том числе и в промышленно развитых

14

странах, непрерывно возрастает и по прогнозам Всемирной организации здравоохранения к 2020 году удвоится. Пока не слишком успешными остаются и попытки борьбы со СПИДом. Такого рода факты ясно показывают, насколько далеки мы сегодня от понимания живого организма как целого.

Кроме эмпирических фактов требуются новые обобщающие идеи и в конечном счете фундаментальные символические конструкции, которые бы продвинули генетику на пути понимания законов генетического контроля жизнедеятельности клетки и организма в целом. В этой связи не менее важной целью написания книги была попытка систематизировать современные достижения в исследовании механизмов регуляции экспрессии генов на всех основных уровнях реализации генетической информации и обсудить ряд новых концепций, рожденных в ходе исследований. Я надеялся, что некоторые не слишком широко известные факты в свою очередь помогут генерировать новые знания. Однако книга не является полностью компилятивной. Наряду с современной классикой в ней представлены и результаты оригинальных исследований, которые включают, в частности концепции ксенобиоза и альтруистичной ДНК, а также гипотезы о функциональном значении редактирования РНК на посттранскрипционном уровне и образовании доминантных мутаций с участием антисмысловых РНК.

Книга состоит из двух частей. В первой части рассматриваются молекулярные механизмы, обеспечивающие хранение генетической информации живых организмов и ее реализацию через экспрессию генов. При этом основное внимание уделяется генетическим системам эукариот. Поскольку любой ген существует благодаря передаче его точной копии соматическим клеткам и в ряду поколений организмов, в конце первой части обсуждаются механизмы репликации ДНК, репарации ее повреждений, а также другие способы стабилизации генетической информации.

Вторая часть книги посвящена обсуждению современных достижений молекулярной генетики в ее прикладных областях. Однако использование термина "прикладные" в этом контексте не совсем корректно. Результаты, полученные в исследованиях трансгеноза, рибозимов или при решении задач белковой инженерии изменили облик всей современной генетики и потребовали пересмотра многих теоретических представлений.

15

К сожалению, ограничения в объеме книги не позволили реализовать в ней первоначально задуманную главу "Гены и фенотип", а также обсудить современные достижения в исследовании рекомбинации ДНК. По тем же причинам упомянуты не все авторы, работы которых обсуждаются в монографии. Им я приношу свои глубокие извинения. Исчерпывающую библиографию можно найти в современных обзорах из списка рекомендованной литературы, которая предназначена для более глубокого знакомства с предметом.

На протяжении всей книги мне хотелось подчеркнуть единство генетических систем организма. Отдельное рассмотрение систем транскрипции, трансляции, репарации или репликации условно, поскольку их функционирование в клетке тесно взаимосвязано. На это указывает, в частности высокая интеграция многочисленных механизмов внутриклеточной передачи сигнала, полифункциональность отдельных белков и ферментов, колоссальное разнообразие летальных мутаций и плейотропность действия генов.

Работая над книгой, я всегда имел в виду, что ясное представление о целом может быть хорошим помощником в исследовании частных генетических проблем. Но и сама генетика является лишь малой частью творения духа человека. В лаборатории, клинике, на пленэре или в мастерской мы пишем этюды к большой картине, которой, к счастью, никогда не суждено быть завершенной. И в те редкие минуты, когда работа идет особенно хорошо, отчетливо ощущаешь причастность к этому великому движению духовных сфер, во многом определяющему смысл нашей жизни.

В заключение предисловия хочется выразить особую признательность дирекции и Ученому совету Института биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН за оказанную поддержку в издании книги.

Работа над книгой проходила параллельно с экспериментальными исследованиями в стенах лаборатории биотехнологии ИБХ, руководимой А.И. Мирошниковым, в лице которого я нашел полное понимание. За это я хочу принести ему свою искреннюю благодарность.

16

Мое мировоззрение как генетика начало складываться и во многом определилось в аспирантуре на семинарах Р.Б. Хесина, а также при личном общении с этим замечательным человеком и сотрудниками его лаборатории. Ко всем этим людям, ученым и учителям, с которыми мне посчастливилось работать в начале жизненного пути, я храню чувство глубокой благодарности.

Я отдаю себе отчет в том, что монография никогда не была бы написана без высокого профессионализма, постоянного интереса и дружеского участия заведующей научно-информационным отделом Института Т.И. Соркиной, от которой исходит сама идея этого издания. В долгих и плодотворных дискуссиях с ней обсуждалась общая структура книги и содержание отдельных глав, а также многочисленные технические детали, о которых перед началом работы я, к сожалению, не имел ни малейшего представления. Одновременно я приношу свою глубокую благодарность сотрудникам отдела В.В. Егоровой, Т.И. Яковлевой, И.М. Приваловой и Л.И. Петровой за большую техническую помощь при подготовке рукописи к печати.

Хотелось бы выразить искреннюю признательность Е.Д. Свердлову за жесткую и конструктивную критику первых двух глав монографии, которая оказала сильное влияние на всю дальнейшую работу над книгой. Сейчас невозможно представить себе выход монографии в свет без учета многочисленных глубоких замечаний Ю.А. Берлина, у которого я многому научился в ходе нашего продолжительного общения.

Пользуясь случаем, хотелось бы выразить особую признательность всем зарубежным коллегам, приславшим оттиски своих недавних публикаций.

И в заключение, но не в последнюю очередь, я хотел бы от всей души поблагодарить свою жену Раю, такт, мудрость и душевная аура которой, несмотря на все мои недостатки, помогают поддерживать творческую атмосферу в семье. Без всего этого написание книги было бы невозможно.

Неоценимая помощь профессионалов не снимает с меня ответственности за фактическую сторону материала, представленного в монографии. Я буду благодарен за любую конструктивную критику всех спорных интерпретаций генетических фактов, а также замеченных ошибок и неточностей, которые, к сожалению, чаще всего можно увидеть только на расстоянии.

Л.И. Патрушев

17

ЧАСТЬ I. МЕХАНИЗМЫ ХРАНЕНИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

18

ВВЕДЕНИЕ

Организм. Живой организм представляет собой самовоспроизводящуюся, открытую термодинамическую систему, в которой пути превращения вещества и энергии определяются генетической информацией, реализующейся через генетический код. В таком несколько измененном определении М. Барбьери (1998 г.) сформулирован один из фундаментальных принципов биологии конца XX в. Сама возможность появления этого глобального обобщения, по мнению Барбьери, связана с тремя крупнейшими прорывами в биологических исследованиях уходящего века. Биохимиками была определена функциональная роль белков, генетикам удалось приподнять завесу над миром генетической информации, а молекулярные биологи установили, что связь между этими двумя мирами осуществляется через генетический код.

Поскольку организм является самовоспроизводящейся системой, он должен обладать информацией, необходимой и достаточной для поддержания своего status quo и производства себе подобных. Словосочетание открытая термодинамическая система подчеркивает, что все проявления жизнедеятельности организма могут быть объяснены в терминах естественных наук, а одним из необходимых условий его существования является обмен с окружающей средой веществом, энергией и информацией в разных формах, включая генетическую информацию.

По современным представлениям вся генетическая информация живого организма содержится в его генах и, как любая другая информация, заключает в себе сообщения, в данном случае сообщения для молекулярных объектов, способных их воспринять. Сама возможность восприятия генетической информации определяется тем, что сообщения организованы с помощью системы правил (генетического кода), "понятных" объектам, для которых эти сообщения предназначены. Получив генетическое сообщение, молекулярный объект его декодирует в соответствии с правилами, лежащими в основе функционирования его составных частей. Даже частичное невыполнение этих правил может приводить к тяжелым нарушениям жизнедеятельности организма.

19

Во время передачи генетической информации по существующим каналам связи от генов к воспринимающим молекулярным объектам имеет место ее многократное декодирование и перекодирование вплоть до окончательного воплощения в фенотипических признаках. Происходит экспрессия генов. Можно сказать, что в результате экспрессии генов заключенное в них слово материализуется в деяние. Однако это не более чем метафора: природа без человека лишена членораздельной речи. Было бы непродуктивно, не опираясь на демиурга, искать в строении организмов предсуществующий план, а в действии генов – цель.

Клетка. Клетка является той наименьшей частью организованной материи, которая еще сохраняет все признаки живого. В ней происходят основные события, связанные с экспрессией генов. Лишь в клетке может полноценно реализовываться генетическая информация, заключенная в генах. Рассмотрение генов в отрыве от их естественного внутриклеточного окружения приводит к искусственному разделению генома на функционально оторванные друг от друга фрагменты, созданию емких баз данных последовательностей нуклеиновых кислот. Современные попытки заставить функционировать гены в новом генетическом окружении завершаются в лучшем случае получением нежизнеспособных в природных условиях биореакторов – организмовсверхпродуцентов собственных или чужеродных белков и метаболитов.

Связь между генами и внутриклеточным генетическим окружением неразрывна. Компоненты клетки, распознавая гены, считывают заключенную в них информацию и декодируют ее. При этом они поддерживают гены в рабочем состоянии и их воспроизводят, создавая точную копию носителя информации, гарантию существования самих себя. Действительно, в ответ на это гены предоставляют инструкции, необходимые для внутриклеточного клонирования самих молекулярных компонентов клеток, а следовательно (по крайней мере, в случае одноклеточных организмов) создания их точных копий. Функционирует единая система, части которой невозможно разъединить, не уничтожив живое. Тем не менее, суть связей между компонентами генетической системы, организованной в клетку, – это не порочный круг. Напротив, рассматривая систему, как единое целое, в ней можно обнаружить внутренний потенциал направленного развития, который реализуется во времени, материализуясь в биосфере.