Часть I. Механизмы хранения и реализации генетической информации 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 statusquoи производства себе подобных. Словосочетаниеоткрытая термодинамическая системаподчеркивает, 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.

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 – организмов-сверхпродуцентов 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.

В этой связи популярные еще и сегодня рассуждения об эгоистическом гене, заставляющем клетку работать только на себя, лишены глубокого смысла. Последовательно оставаясь на такого рода антропоморфных позициях, необходимо признать, что и эгоистически настроенные белки могут рассматривать ДНК как сожителя, существование которого приходится терпеть для воспроизводства самих себя.

"Omniameamecumporto!¹" – этот девиз в полной мере применим к одноклеточным организмам. У многоклеточных генетических систем это не так. В данном случае отдельные клетки, составляющие организм, становятся зависимыми друг от друга, создавая неразрывное единство на другом уровне – сомы, или тела. Между клетками происходит контролируемое генами перераспределение функций. При этом клетки разных частей многоклеточного организма могут настолько различаться морфологически, что без проведения специального анализа на молекулярном уровне их невозможно отнести к одной генетической системе, единому организму.

Пролиферация, дифференцировка и апоптоз соматических клеток.Переход к многоклеточности перевел отношения организма с окружающим миром на новый уровень сложности. Многочисленные связи между рецепторами организма и внешними воздействиями, с одной стороны, а также внутренними анализаторами поступающей информации, с другой, обеспечивают максимальную приспособленность организма к условиям существования. Жизнь не прощает ошибок. Все, что неадекватно реагирует на сигналы среды существования, элиминируется естественным отбором. Чем чувствительнее и эффективнее система настроена на окружающий мир (в том числе и внутреннюю среду организма), тем сложнее и изощреннее ее морфологическое воплощение, ее внутреннее содержание.

Пролиферация клеток. В основе развития любого многоклеточного организма, становления системы его органов и тканей лежит деление (пролиферация) клеток. Генетическая программа обеспечивает протекание сложной совокупности биохимических реакций, сопровождаемых созданием точной копии генетического аппарата каждой соматической клетки, ее ростом и делением. Поскольку при каждом делении клеток весь глобальный биохимический процесс циклически повторяется, он получил названиеклеточного цикла. Индивидуальное (онтогенетическое) развитие, как правило, начинается с первого деления стимулированного к этому яйца (яйцеклетки) и завершается только с наступлением его смерти – распада организма как целого в результате обрыва ключевых внутренних связей между системами его жизнеобеспечения. Основное внутреннее событие жизни организма – деление клеток – находится под строгим внутренним и внешним генетическим контролем. Даже изолированная соматическая клетка способна лишь к ограниченному количеству делений в питательной среде. Количественный контроль числа клеточных делений лежит в основе органогенеза (формирования органов и тканей). Нарушение механизмов контроля пролиферации клеток приводит к безудержному делению клеток, образованию бесформенной клеточной массы – опухоли, способной задушить организм изнутри. Однако в процессе нормального онтогенетического развития изменяется не только число соматических клеток, но и их качественный состав.

Дифференцировка клеток. Способность органов и тканей осуществлять свои специфические функции целиком зависит от наличия в них специализированных клеток. В частности, организм взрослого человека составлен из ~10¹⁴–10¹⁵клеток более чем 100 различных типов. На самых ранних стадиях развития зародыша многоклеточного организма составляющие его клетки внешне очень похожи друг на друга. По мере продолжения онтогенеза пути многих из них далеко расходятся. Происходит дифференцировка клеток, приобретение ими специализированных функций. Морфологические различия, выявляемые у специализированных клеток, определяются особым составом и внутриклеточной организацией их молекул. Появление таких особенностей на молекулярном уровне также контролируется генами. В специализированных (дифференцированных) клетках или их предшественниках кроме генов, экспрессирующихся в клетках всех типов, работают особые группы генов. Переключение экспрессии одних групп генов на другие, подключение к экспрессии новых генов и прекращение работы старых в дифференцирующихся клетках также находится под строгим генетическим контролем.

Апоптоз. Еще одним важным событием индивидуального развития организма является полное замещение одних групп клеток другими. При этом конечные стадии процесса замены контролируются самими замещаемыми клетками. На определенной стадии развития эмбриона в ответ на сигналы окружающих тканей внутри удаляемых клеток происходит активация группы генов, запускающих их саморазрушение – апоптоз. Апоптоз является одним из проявлений принципа самоочищения организма, когда для становления и сохранения целого многоклеточный организм жертвует небольшой частью своих соматических клеток. Действительно, другой не менее важной стороной этого процесса является защита организма от клеток с необратимо поврежденным генетическим аппаратом, поскольку в этом случае возникает опасность их неконтролируемого роста и гибели целого организма. В том случае, если повреждения генетического аппарата клетки невозможно восстановить, клетка совершает самоубийство.

С учетом всего сказанного можно без преувеличения утверждать, что пролиферация, дифференцировка и апоптоз соматических клеток определяют ключевые моменты внутренней жизни многоклеточного организма.

Гены.В соответствии с центральным постулатом молекулярной биологии принято считать, что генетическая информация, необходимая для индивидуального развития организма, заключена в его генах, которые представляют собой последовательности нуклеотидов молекул ДНК и РНК. Гены содержат информацию о составных частях организма: совокупности большого числа высоко- и низкомолекулярных химических соединений, образующих его клетки, ткани и органы. При этом данные о структуре почти всех низкомолекулярных соединений, называемыхметаболитами, закодированы в генах не прямо, а косвенно. Фактически эта информация является лишь программой биосинтеза метаболитов. Сама же структура и взаимодействие метаболитов друг с другом определяются биологическими катализаторами белковой природы – ферментами, которые и осуществляют необходимые их взаимопревращения –метаболизм.

Генетическая информация о структуре белков и ферментов скрыта в генах не так глубоко. Благодаря существованию универсального триплетного генетического кода, последовательности нуклеотидов генов однозначно определяют последовательности аминокислот полипептидных цепей конкретных белков. Декодирование информации о структуре белков и нуклеиновых кислот, сопровождаемое их биосинтезом, является важнейшим промежуточным (но не конечным) результатом функционирования (экспрессии) генов любого организма.

Экспрессия генов.В норме экспрессия генов обеспечивает существование организма как целого от начальных до завершающих стадий индивидуального развития – от первых делений стимулированной яйцеклетки до естественной смерти организма. Однако более широкий подход к проблеме экспрессии генов должен учитывать не только биохимические последствия их работы на молекулярном, надмолекулярном и организменном уровне, но и генетически детерминированные поведенческие реакции групп особей в популяции, а следовательно, и механизмы генетического контроля развития самих популяций, включая цивилизацию.

При реализации запрограммированных фенотипических эффектов работающие вместе гены и продукты их экспрессии правильно декодируют адресованные им (и только им) регуляторные сообщения на всех уровнях и адекватно на них отвечают. Адресная доставка и расшифровка как регуляторных сигналов, так и самой генетической информации, заключенной в генах, становятся возможными благодаря осуществлению высокоспецифических молекулярных взаимодействий.

Специфичность всех биохимических реакций обеспечивается способностью высокомолекулярных соединений организма безошибочно распознавать друг друга и низкомолекулярные метаболиты. Специфическое межмолекулярное узнавание, которое определяет упорядоченное протекание всех генетических процессов, осуществляется, по крайней мере, на трех уровнях. На первом уровне (в соответствии с последовательностью основных событий, происходящих при реализации генетической информации) имеет место специфическое распознавание друг друга нуклеиновыми кислотами. Цепи одной молекулы ДНК взаимодействуют между собой по принципу комплементарности в соответствии с правилами Уотсона–Крика, что характерно и для соответствующих контактов ДНК с РНК, а также для взаимодействия молекул РНК друг с другом. Такой тип взаимодействий лежит в основе самовоспроизведения генетической информации и ее передачи от нуклеиновых кислот к нуклеиновым кислотам или белкам. Второй уровень обеспечивается белково–нуклеиновым узнаванием. Этот крайне важный тип взаимодействий регулирует экспрессию генов и способствует упорядоченному метаболизму нуклеиновых кислот. И, наконец, взаимодействие белков друг с другом, с иными макромолекулами клеток или с низкомолекулярными лигандами делает возможной сборку молекулярных и надмолекулярных комплексов, обеспечивающих направленное протекание метаболических процессов, и лежит в основе морфогенеза организмов. Кроме всего прочего, этот тип взаимодействий может изменять специфичность действия белков и индуцировать в них новую активность.

Постепенно становится ясно, что во время реализации генетической информации в процессе биосинтеза нуклеиновых кислот, белков и ферментов формируются сложные пространственные структуры из белков и нуклеиновых кислот в результате их самоорганизации, часто при участии других молекул клетки. Самоорганизация синтезированных макромолекул приводит к образованию пространственных внутриклеточных межмолекулярных структур, клеточных органелл и, в конечном счете, самих клеток, которые в совокупности создают многоклеточный организм, законы функционирования и предназначение которого во многом остаются непонятными и сегодня.

1. ГЕНОМ

Термин "геном" был предложен Г. Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. Сейчас хорошо известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими ("избыточными") последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и нуклеиновых кислотах. Таким образом, основную часть генома любого организма составляет вся ДНК его гаплоидного набора хромосом.

Однако генетическую информацию в клетках содержат не только хромосомы ядра. Жизненно важная генетическая информация бывает заключена и во внехромосомных молекулах ДНК. У бактерий к таким ДНК относятся плазмиды и некоторые умеренные вирусы, в клетках эукариот – это ДНК хлоропластов, митохондрий и других пластид. Более того, объемы генетической информации, заключенной в клетках зародышевой линии (предшественники половых клеток и сами гаметы) и соматических клетках, в ряде случаев существенно различаются. В онтогенезе соматические клетки могут утрачивать часть генетической информации клеток зародышевой линии, амплифицировать группы последовательностей и(или) значительно перестраивать исходные гены. Следовательно, под геномом организма в настоящее время понимают суммарную ДНК гаплоидного набора хромосом и каждого из внехромосомных генетических элементов, содержащуюся в отдельной клетке зародышевой линии многоклеточного организма. Однако сформулировать определение генома отдельного биологического вида в целом не так просто. В таком определении необходимо учитывать, во-первых, генетические различия, связанные с полом организма, поскольку мужские и женские половые хромосомы различаются. Во-вторых, из-за громадного числа аллельных вариантов генов и сопутствующих последовательностей, которые присутствуют в генофонде больших популяций, можно говорить лишь о некоем усредненном геноме, который сам по себе может обладать существенными отличиями от геномов отдельных особей.

Как видно из табл. I.1, размеры геномов организмов разных видов значительно отличаются друг от друга. При этом часто не наблюдается корреляции между уровнем эволюционной сложности биологического вида и размером его генома.

Таблица I.1