Геном

Паровая машина может направить энергию угля в механическое вращение вала только пото­му, что машина имеет большое информационное содержание, переданное ей конструктором. То же самое с человече­ским телом. В голове Шеннона информационная теория Аристотеля соединилась с механикой Ньютона. Так же, как Тьюринг, Шеннон имел лишь базовые представления о био­логии. Но его идеи были гораздо ближе к секрету жизни, чем рассуждения химиков и физиков. Информационное со­ держимое системы под названием человеческое тело — это ДНК (Campbell J. 1983. Grammatical man: information, entropy, language and life. Allen Lane, London).

Вначале было Слово, и это слово было не ДНК. ДНК поя­вилась позже, когда произошло разделение труда на биохи­мическую активность и хранение информации: метаболизм и репликацию. Но ДНК сохранила в себе отпечаток первого Слова, бережно пронеся его через все геологические эры до нашего дня.

Представим себе, что мы рассматриваем ядро человече­ской яйцеклетки под микроскопом. Давайте расположим 23 хромосомы генома человека в ряд по размеру от самой боль­шой слева до самой маленькой справа. Теперь максимально усилим увеличение микроскопа и сосредоточим внимание на самой большой хромосоме, которую мы исключительно ради удобства назовем первой. Все хромосомы имеют длин­ное и короткое плечо, разделенные перетяжкой центроме­ром. На длинном плече хромосомы 1 рядом с центромерой мы увидим многочисленные повторы из 120 букв (А, С, G и Т). Каждый повтор отделен участком случайно подобран­ных букв, за которым начинается новый повтор 120-буквен- ного текста. Всего таких повторов может быть около ста. Скорее всего, эти повторы как раз и являются остатками того самого первого Слова.

Данный повторяющийся «абзац» текста является малень­ким геном и в то же время наиболее активным из всех генов человека. 120 букв текста копируются в небольшую молеку­лу, известную как 5S РНК. Эта молекула объединяется еще с несколькими белками и молекулами РНК, тщательно подо­гнанными друг под друга, в результате чего образуется рибо­сома— машина трансляции генов в белки, в том числе в те белки, которые осуществляют репликацию ДНК. Можно сказать, что белки — это средство копирования генов в но­вые гены, а гены — средство копирования белков в новые белки. Рецепты используются, чтобы приготовить пищу, а пища нужна для написания новых рецептов. Жизнь — это бесконечная череда преобразований двух типов химиче­ских соединений — белков и ДНК.

Белки воплощают в себе такие проявления жизни, как метаболизм, дыхание и поведение, а ДНК — наследствен­ность, репликацию, размножение, пол — все, что биологи называют генотипом. Одно не может существовать без дру­гого. Точно так же, как в примере с яйцом и курицей. Что было первым, ДНК или белок? Вряд ли это была ДНК, по­скольку ДНК совершенно беспомощна, пассивный кусок компьютерной программы, неспособной к катализу хими­ческих реакций. Но это и не белок, поскольку белки — чи­стая химия, неспособная к самовоспроизведению. Так же трудно себе представить, чтобы ДНК могла самопроизволь­но породить белок, или наоборот. Этот вопрос так бы мог и остаться непостижимой загадкой, если бы Слово не остави­ло своего едва заметного следа на нити жизни — молекулы РНК. Как и в случае с яйцом и курицей, мы можем предполо­жить, что яйцо все же было раньше, поскольку динозавры, предки птиц, уже откладывали яйца. Так и в споре междуСк'лкч >м и РНК все больше свидетельств в пользу того, что РНК предшествовала белкам.

РНК — это та химическая субстанция, которая связыва­ет между собой ДНК и белки. Сейчас РНК используется в клетке главным образом как промежуточное сообщение для трансляции кода ДНК в последовательность аминокис­лот в белке. Но все меньше остается сомнений, что именно РНК была предшественницей обоих — белка и ДНК.

Слово было РНК. Существует пять свидетельств того, что РНК появилась раньше белков и ДНК.

1.  Даже теперь химические ингредиенты молекулы ДНК получаются путем модификации ингредиентов моле­кулы РНК. Например, буква Т (тимин), относящаяся к ДНК, синтезируется из буквы U (урацила) — принад­лежащей РНК.

2.   Многие ферменты для активации требуют присут­ствия небольших молекул РНК.

3.   Кроме того, РНК в отличие от ДНК и белков способна к самокопированию без чьего-либо участия. Добавьте только в среду необходимые ингредиенты, и процесс пойдет.

4.   Если внимательно рассмотреть биохимическую ак­тивность клетки, то окажется, что все основополага­ющие и реликтовые процессы происходят с участием РНК. Это РНК-зависимые ферменты считывают ин­формацию с ДНК, преобразуя ее в информационную РНК. Именно из РНК построены рибосомы, выпол­няющие трансляцию генетического кода в белок, при этом именно молекулы транспортных РНК вылавли­вают в цитоплазме аминокислоты и подносят их к ме­сту сборки.

5.   И наконец, РНК в отличие от ДНК выступает в каче­стве катализатора химических процессов, разрушаю щих или синтезирующих другие химические соедине­ния, в том числе и саму РНК. РНК может вызывать собственное разрезание с последующим сшиванием

свободных концов, а также катализировать удлине­ние собственной цепи.

Открытие этих примечательных свойств РНК, сделан­ное Томасом Чеком (Thomas Cech) и Сидни Олтменом (Sidney Altman), изменило наше представление об истоках жизни. Теперь наиболее вероятным кажется то, что самым первым геном была молекула РНК, объединяющая в себе свойства репликации и катализа, — Слово, потребляющее вещества из окружающей среды для копирования самого себя. Возможно, если синтезировать случайным образом молекулы РНК прямо в пробирке, можно получить соеди­нение, которое по своим химическим свойствам будет со­ответствовать первоисточнику жизни. Примечательно, что молекулы РНК, отобранные в подобных эксперимен­тах, всегда были весьма похожи по своему содержанию на текст гена 5S РНК, который находится вблизи центромеры хромосомы 1.

 В 1989 году за открытие свойств РНК Томас Чек и Сидни Олтмен были награждены Нобелевской премией.

Намного раньше первого динозавра, первой рыбы, первого червя, первого растения, первого гриба и первой бактерии на Земле царил мир РНК. Это было, вероятно, около 4 млрд лет тому назад. Нам неизвестно, как выглядел этот РНК-овый организм. Мы можем только предполагать, какой была химическая активность данного соединения, обеспечивающая его самовоспроизведение. Неизвестно, был ли прародитель у этого организма. Но мы можем быть уверены, что он был, поскольку на это указывают свойства современных молекул РНК (Gesteland R. Е, Atkins J. Е (eds). 1993. The RNA world. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York).

У этого РНК-ового организма были большие проблемы. РНК— крайне нестабильная молекула, разрушающаяся в течение нескольких часов. Любое эволюционное усложне­ние такого организма было под вопросом, так как инфор- мании быстро терялась в силу стремительного накопления ошибок. Единственно возможным направлением эволюции было направление в сторону создания более устойчивой мо­лекулы ДНК с развитием системы считывания РНК с ДНК. Такой системой считывания могла быть проторибосома. Считывание информации должно было быть достаточно быстрым, так как РНК быстро разрушалась, но при этом аккуратным. Одновременное считывание трех нуклеотидов за один шаг, видимо, было компромиссом для достижения необходимой скорости и точности. Поиск нужного трипле­та облегчался в случае маркирования этих нуклеотидов, а в качестве маркеров, распознаваемых проторибосомами, использовались аминокислоты. Значительно позже у про- торибосомы появилась дополнительная ферментативная активность сшивания маркеров в новый полимер — белок. В результате триплет стал кодом, обеспечивающим транс­ляцию последовательности нуклеотидов в последователь­ность аминокислот. Образовался новый, более сложный ор­ганизм, в котором генетическая информация сохранялась в ДНК, метаболическая активность обеспечивалась белками, а РНК стала играть роль моста между ними.

Имя нашего общего предка — Лука (Luca — Last Universal Common Ancestor, последний вселенский общий предок). Как он выглядел и где жил? Предположительно, он выгля­дел как бактерия и жил в теплых лужах, возможно, в горя­чих источниках или морских заливах. В последнее время Луке стали отводить более мрачное место жительства, ког­да стало известно, что глубинные подземные и подводные камни обсеменены миллиардами литотрофных (живущих за счет преобразования химических соединений) бакте­ рий. Тогда Луку поселили глубоко под землей, поближе к вулканической лаве, где его пищей были сера, железо, водород и углерод. Даже сейчас то, что мы понимаем под биосферой, — лишь вершина айсберга.