Экспрессия
Весь процесс переноса генетической информации от ДНК через РНК к белкам называется экспрессией генов. Тут мы в который раз, и теперь уже вплотную, сталкиваемся с понятием “ген”. И пора, пожалуй, немного его обсудить, прежде чем идти дальше.
Итак, что же такое ген? Слово это слышал каждый. Но вот дать строгое определение гена на самом деле не так уж и легко. Довольно часто встречается мнение, что ген — это участок ДНК, кодирующий структуру одного белка (концепция “один ген — один белок”). Для большинства генов это верно. Но не для всех. Например, белок, у которого есть четвертичная структура, кодируется несколькими генами. В самом деле, такой белок по определению состоит из нескольких аминокислотных цепочек, которые могут синтезироваться отдельно, а объединяться только после трансляции.
Еще большую проблему для “белкового” определения гена составляют РНК. Все клеточные РНК транскрибируются с генов, но довольно многие из них потом не транслируются ни в какие белки. Например, это относится ко всем рибосомным и транспортным РНК. Между тем те участки ДНК, на которых закодированы последовательности рРНК и тРНК, — это тоже гены, нет никаких оснований не считать их таковыми.
Обойти эти трудности можно, если решить, что ген — это единица транскрипции, то есть участок ДНК, кодирующий одну любую РНК (информационную, транспортную или рибосомную). Правда, к этому определению при желании тоже можно придраться: например, в некоторых геномах встречаются гены, которые транскрибируются обычно вместе, хотя кодируют разные белки. Словом, ген — это типичный пример общего понятия, которое в разных случаях может применяться немного по-разному.
Условимся, что если к слову “ген” не сделано никаких оговорок, то речь идет, скорее всего, о гене, который кодирует один белок, состоящий из одной аминокислотной цепочки, то есть из одного полипептида (см. главу 3). О рядовом гене, так сказать. В этом случае определение “один ген — один белок” будет верным.
Число генов у каждого отдельного живого существа обычно измеряется тысячами или первыми десятками тысяч. Например, у многоклеточных животных генов чаще всего 15 000–20 000. У бактерий — всего несколько тысяч или, в редких случаях, даже несколько сотен (правда, обладатели таких маленьких геномов могут жить только внутри чужих клеток, от которых и получают большую часть нужных веществ — своих ферментов им для этого, как правило, не хватает). А у некоторых цветковых растений число генов переваливает за 40 000, и вот это, видимо, уже близко к естественному пределу. Во всяком случае, сотен тысяч и миллионов генов ни у какого земного живого организма нет.
Всевозможные процессы “включения” и “выключения” генов, ослабления и усиления их активности и тому подобного в сумме называются регуляцией экспрессии. Надо сказать, что способы регуляции экспрессии невероятно многообразны. Прежде всего, экспрессию гена можно регулировать как на уровне транскрипции (запуск или прекращение синтеза РНК), так и на уровне трансляции (ускорение или задержка синтеза белка на готовой иРНК). Регуляция на уровне транскрипции — более базовая, на уровне трансляции — более тонкая, и ее мы пока не будем касаться.
Но и транскрипцию можно регулировать по-разному. Давайте рассмотрим рядовой ген, то есть отрезок ДНК, несущий полную информацию о некотором белке (см. рис. 9.7А). Он состоит из кодирующей части, где записана последовательность аминокислот, и нескольких некодирующих участков, нужных только для регуляции работы самого гена. Главный из этих некодирующих участков называется промотором. Промотор — это та самая последовательность, которую обязательно должна распознать РНК-полимераза, чтобы транскрипция гена вообще произошла. А вот перед промотором находятся дополнительные регуляторные участки, которые нужны для связывания белков, влияющих на активность гена. Главный из таких белков: конечно, РНК-полимераза, которая, собственно говоря, транскрипцию и осуществляет. И ей в этом помогают еще несколько белков — так называемые общие факторы транскрипции, необходимые для самого процесса синтеза РНК. Но, кроме того, есть еще и регуляторные факторы транскрипции, которые в синтезе РНК непосредственно не участвуют. Их работа — связываться с ДНК, или облегчая, или затрудняя посадку РНК-полимеразы на соответствующий ген (см. рис. 9.7Б). ДНК-связывающий белок, усиливающий таким образом транскрипцию, называется активатором, а ДНК-связывающий белок, блокирующий транскрипцию, — репрессором. Белок-репрессор просто не дает РНК-полимеразе сесть в нужную точку ДНК, а белок-активатор, наоборот, меняет конформацию ДНК так, чтобы РНК-полимеразе было удобнее с ней связаться. Несколько упрощая, можно сказать, что белок-активатор включает ген, а белок-репрессор выключает его.
Самое тут интересное, что регуляторные белки (и активаторы, и репрессоры, и любые другие), разумеется, тоже являются продуктами каких-то генов. И эти гены тоже должны быть кем-то или запущены, или заторможены. Гены, кодирующие регуляторные белки, очень легко взаимодействуют через свои продукты, включая и выключая друг друга и образуя в результате целые цепочки и сети. Неудивительно, что генные сети (gene regulatory networks, сокращенно GRN) стали популярнейшим объектом изучения современной биологии.
Еще один способ регуляции экспрессии — прямая химическая модификация ДНК. Самый частый вид такой модификации — метилирование цитозина (см. рис. 9.7В). В этом случае на определенном отрезке ДНК каждый цитозин получает дополнительную метильную группу и превращается в 5-метилцитозин. Такие участки ДНК транскрибируются слабее, “замолкают”. Метилирование ДНК обратимо и может быть снято соответствующими ферментами, если выключенные этим способом гены потребуется опять включить.
Репликация
Теперь нам осталось поговорить еще про репликацию, то есть копирование ДНК. Как-никак самовоспроизводство — одно из самых главных свойств живых организмов, а без репликации оно совершенно невозможно.
Репликация ДНК — полуконсервативная (см. рис. 9.8А). Двойная спираль расшивается с разрывом водородных связей, после чего к каждой нити ДНК достраивается комплементарная нить из находящихся в растворе нуклеозидтрифосфатов (превращающихся попутно в нуклеозидмонофосфаты). И в результате получается две двойные спирали, в каждой из которых одна цепь “старая”, а другая — “новая”.
Фермент, который синтезирует из мономеров новую цепь ДНК, комплементарную к имеющейся, называется ДНК-полимеразой. На самом деле в любой клетке есть несколько ДНК-полимераз, отличающихся по функциям. Заодно тут сразу возникает несколько проблем, которые с одним классом ферментов в любом случае не решить (см. рис. 9.8Б).
Во-первых, чтобы репликация стала возможна, комплементарные цепи ДНК надо как-то разделить. Для этого фермент хеликаза разрывает водородные связи между азотистыми основаниями, а фермент топоизомераза раскручивает двойную спираль ДНК, разрывая для этого ковалентные связи между нуклеотидами и тут же сшивая их заново. Последнее неизбежно, потому что двойную спираль невозможно раскрутить, не разрывая, если нам недоступны ее концы. Для простоты можно
