ДНК. История генетической революции - читать онлайн книгу. Автор: Кевин Дэвис, Эндрю Берри, Джеймс Д. Уотсон cтр.№ 82

Проект «Геном человека» подтвердил правоту Дарвина в значительно большей степени, чем мог предположить сам Дарвин. Молекулярное сходство в конечном итоге проистекает из того, как именно различные организмы связаны общим происхождением. Успешное эволюционное «изобретение» (мутация или совокупность мутаций, поддержанных естественным отбором) передается от поколения к поколению. По мере того как древо жизни ветвится – существующие эволюционные линии порождают новые (например, рептилии как таковые сохраняются, но от них происходят птицы и млекопитающие), такое «изобретение» в итоге может оказаться в распоряжении самых разнообразных видов-потомков. Например, у 46 % белков, имеющихся у дрожжей, также есть человеческие гомологи. (Грибная) эволюционная линия дрожжей и та линия, от которой в конечном итоге произошли люди, разделились (вероятно) около миллиарда лет тому назад. С тех пор обе линии развивались независимо, каждая по своей эволюционной траектории; фактически с момента жизни нашего с дрожжами общего предка минул один миллиард лет эволюционной активности. Тем не менее за все это время та совокупность белков, которой располагал наш общий предок, изменилась минимально. Как только эволюции удается решить конкретную задачу, например синтезировать фермент, который будет катализировать определенную химическую реакцию, природа жестко придерживается этого направления эволюции. Мы уже знаем, как эволюционная инерция обусловила центральную роль РНК в клеточных процессах. Жизнь (об этом впервые высказался Карл Вёзе) началась в «мире РНК», и наследие тех времен сохраняется по сей день. Такая инерция распространяется и на биохимические особенности: 43 % белков червей, 61 % белков дрозофилы и 75 % грибных белков содержат последовательности, аналоги которых есть и в белках человека.

Сравнение геномов также помогает понять эволюцию белков. Как правило, белковую молекулу можно считать совокупностью из различных участков, так называемых фрагментов аминокислотных цепочек, выполняющих конкурентную функцию либо образующих характерную пространственную структуру. По-видимому, эволюция просто перетасовывает эти участки и создает новые комбинации. Выдающийся пример такого рода – эукариотический организм Oxytricha trifallax, обитающий в стоячей пресной воде. Лора Ландвебер провела интересные и изящные исследования, которые показали, что при спаривании их геном буквально крошится на фрагменты и затем восстанавливается заново. Две клетки Oxytricha сходятся и взаимно обмениваются геномами примерно наполовину (отдают примерно по 18 500 генов). Пока половина генов остается в так называемом рабочем ядре, остаток переходит во второе ядро, состоящее примерно из 100 хромосом. Каждая клетка лишается примерно 90 % новоприобретенной ДНК и остается примерно с 16 тысячами нанохромосом, во многих из которых всего по одному гену. Возможно, такая перестройка генома при рождении новой особи и объясняет, каким образом Oxytricha удалось просуществовать на Земле около двух миллиардов лет. Вероятно, это эволюционный реликт, утраченный всеми существами, кроме Oxytricha.

Предположительно, большинство вариантов белковых молекул, полученных в результате перестановок, структурно случайны, поэтому бесполезны и, соответственно обречены на отбраковку естественным отбором. Очень редко новая комбинация оказывается полезной, тогда возникает новый белок. Примерно 90 % участков, найденных в человеческих белках, также обнаружены в белках дрозофилы и червей. Фактически уникальный человеческий белок не что иное, как пересобранная версия белка дрозофилы.

Такое биохимическое сходство между разными организмами нагляднее всего демонстрируется в ходе так называемых спасительных экспериментов, цель которых – устранить тот или иной белок у одного вида, а затем задействовать соответствующий белок от другого вида, чтобы ликвидировать сложившиеся в ходе патологического процесса или уже имеющиеся дисфункции. Мы уже видели, как эта стратегия применяется в случае с белком инсулином. Поскольку человеческий и коровий инсулин схожи, диабетики выживают, принимая коровий инсулин в качестве заменителя человеческого.

В опыте, напоминающем эпизод из проходного научно-фантастического фильма, исследователи смогли вырастить глаза на лапках у дрозофил, манипулируя конкретным геном, определяющим расположение глаз у этой мушки. Этот ген инициирует работу множества других генов, участвующих в формировании глаза в заданном месте. Аналогичный мышиный ген настолько похож на ген дрозофилы, что будет работать точно так же, если поместить его – к слову, современный генетик делает это мановением руки – в геном дрозофилы, у которой этот ген ранее устранен. Сам факт, что такое возможно, мягко говоря, примечателен. Эволюция разделила предков дрозофил и мышей не менее полумиллиарда лет тому назад. Таким образом – следуя логике, которая применима к формированию эволюционных линий человека и дрожжей, развивавшихся одновременно и независимо друг от друга, – этот ген сохранился на протяжении более миллиарда лет эволюции. Ситуация станет еще более удивительной, если учесть, что мышиный глаз принципиально отличается от глаза дрозофилы как по структуре, так и по оптическим характеристикам. Предположительно, в каждой эволюционной линии глаз адаптировался к решению конкретных задач, но базовый механизм, определяющий местоположение глаза, в совершенствовании не нуждался и поэтому не изменился.

Наиболее отрезвляющим в рамках проекта «Геном человека» было осознание того, как удивительно мало мы знаем о функциях абсолютного большинства человеческих генов. Отсеквенированный геном – это подробный инвентарный список для сборки организма, но в нем не прописано, как именно собрать организм и как он затем будет работать. Чтобы воспользоваться этой добытой с таким трудом информацией, необходимо разработать методы для изучения функций генов в масштабах всего генома.

На заре разработки проекта «Геном человека» быстро сформировалось несколько новых научных дисциплин, получивших незапоминающиеся названия, которые заканчивались на «-омика», по образу «геномики». Две наиболее важные дисциплины именуются протеомика и транскриптомика, наряду с ними существуют еще и гликомика, липидомика, метаболомика и масса других дисциплин с еще более уморительными названиями. Протеомика – это наука о белках, кодируемых генами. Протеомика изучает, где и в каких ситуациях экспрессируются гены, то есть какие гены проявляют транскрипционную активность в конкретной клетке. Если требуется так или иначе понять работу генома в динамике, то есть рассмотреть, как разыгрывается сценарий жизни, то протеомика, транскриптомика и им подобные науки помогут взглянуть на это действо. Проблема состоит в том, что чем больше мы узнаем, тем лучше понимаем, что жизнь – это кинофильм с бесконечным числом кадров.

Ученые давно догадывались, что с биологической точки зрения белок гораздо сложнее, чем линейная последовательность аминокислот, из которых он состоит. Чтобы понять, как работает белок, необходимо разобраться, как именно эта последовательность сворачивается в уникальную трехмерную конфигурацию – такими вопросами и занимается протеомика. Структурный анализ белков по-прежнему выполняется при помощи рентгеновской дифракции: молекула бомбардируется рентгеновскими лучами, которые отражаются от атомов и при рассеянии образуют характерный узор, по которому можно определить трехмерную форму белка. В 1962 году Джон Кендрю и Макс Перуц, с которыми нам в свое время довелось вместе работать в Кавендишской лаборатории, совместно получили Нобелевскую премию по химии за уточнение структур двух белков: миоглобина (участвующего в создании в мышцах кислородного резерва, который расходуется по мере необходимости, восполняя временную нехватку кислорода) и гемоглобина (способного обратимо связываться с кислородом, обеспечивая его перенос в ткани). Это была фундаментальная работа. Рассматривая рентгеновские дифракционные снимки, которые они интерпретировали, я смог понять, насколько же просто (в сравнении с белками) устроена ДНК!