Узнай о своих генах. Азбука для небиологов - Эррол К. Фридберг
Не так просто адекватно оценить миллионы лет, прошедших с начала эволюции. Но я надеюсь, что вы уже представляете, сколь велико множество биохимических событий и клеточных структур, необходимых для производства белков, чтобы понять, сколько же времени понадобилось, чтобы достичь элегантной стратегии, которая в конечном итоге появилась на Земле. Может быть, в туманном далеком прошлом были периоды, когда белки производились с помощью иных механизмов. Но они исчезали по мере появления новых и более эффективных способов, пришедших им на смену. Представьте себе эволюцию путешествий: сначала только пешком и бегом, потом на примитивных тачках без колес, затем на телегах с колесами, на гребных лодках, велосипедах, на других транспортных средствах с мотором, на теплоходах и, наконец, на самолетах. Техническая эволюция заняла много времени. Что еще ждет человечество? Может быть, машины без колес, а то и летающие автомобили! В конечном итоге, пожалуй, даже моментальная трансформация материи из пункта А в пункт Б! Но подобные технические эволюции – лишь песчинки времени, необходимого для биологической эволюции в том виде, как мы ее знаем сегодня.
* * *
Когда ген активно включает синтез конкретной мРНК, мы говорим, что этот ген экспрессируется. Однако все гены в нашем геноме не одновременно экспрессируют информацию, которая приводит к появлению белков. Каждый тип клетки в нашем организме имеет разный набор экспрессируемых генов, а различные паттерны (схемы) экспрессии приводят разные клеточные типы к производству разных типов белка. Пример, который я нашел в Интернете, напоминает о том, что одна из функций печени – удалять токсичные вещества, скажем алкоголь, из кровяного потока. Для достижения этой цели клетки печени экспрессируют (включают) гены, кодирующие компоненты фермента, который превращает алкоголь в нетоксичную молекулу. Однако клетки в нашем мозгу не удаляют токсины из организма, поскольку мозг держит эти гены в молчащем состоянии (выключенными). Клетки имеют сложные механизмы для изменения экспрессии генов. Как вы теперь знаете, процесс экспрессии генов состоит из множества шагов и почти все шаги можно регулировать. Однако регуляция генов – это отдельный многогранный процесс, который в этой книге не рассматривается.
Глава 8
Поврежденную и неправильную ДНК можно исправить (иногда)
У вас может создаться впечатление, что ДНК в наших клетках надежно защищена, находясь в коконе из хромосом и уютно спрятавшись в ядрах наших клеток. К сожалению, все обстоит иначе. ДНК – это высокоактивное биологическое соединение, которое подвержено разным типам повреждений и изменений, реагируя с химическими веществами, возникающими во время нормальных обменных процессов или в результате взаимодействия с искусственными химическими веществами, поступающими в наши организмы. Некоторые из этих химических веществ, образующихся в результате обменных процессов, называются активными формами кислорода (АФК). АФК – это продукты нормального процесса метаболизма кислорода в организме, но они активно взаимодействуют с ДНК. Вас наверняка удивит, что согласно подсчетам в организме человека ежедневно в каждой клетке происходит не менее 10 000 окислительных нарушений ДНК. Это очень много!
ДНК может повредиться в результате спонтанных нарушений в одной или обеих нитях ДНК либо из-за включения неправильных нуклеотидов с помощью фермента ДНК-полимеразы во время процесса репликации ДНК (копирование существующих нитей ДНК в целях генерации новых молекул ДНК обсудим дальше). Эти многочисленные источники и способы повреждения нашей ДНК могут мешать процессу репликации ДНК и (или) транскрипции (еще одна тема для дальнейшего обсуждения), что может привести к гибели клетки. Но есть и хорошая новость: за многие эры биологической эволюции появились биохимические механизмы, которые вызывают репарацию (восстановление) поврежденной ДНК, в том числе неправильных нуклеотидных пар, возникших при ошибочной репликации ДНК.
Первый из известных и, пожалуй, самый древний механизм репарации ДНК был открыт случайно в середине 40-х годов прошлого века ученым Альбертом Кельнером. Родился Кельнер в 1912 году. В юности он заболел костным туберкулезом, в результате чего у него на всю жизнь осталась заметная хромота. Было задето и левое плечо, что мешало ему играть на скрипке, а он владел этим инструментом в совершенстве. Жена Кельнера как-то сказала мне, что, если бы у него смолоду не возник интерес к биологии, он бы мог стать музыкантом. «Наверное, наша семья жила бы тогда впроголодь, – сказала она, – но сейчас я не об этом. Он был великолепным музыкантом».
Кельнер открыл репарацию ДНК, работая с антибиотиками – соединениями, которые производят бактерии и грибы и способны убивать или подавлять конкурирующие виды микробов. Это явление известно с давних времен и объясняет, почему еще древние египтяне прикладывали к инфицированным ранам припарки заплесневелого хлеба. Но лишь в 1928 году Александр Флеминг, профессор бактериологии в больнице Святой Марии в Лондоне, открыл первый антибиотик пенициллин, за что в 1945 году получил Нобелевскую премию.
Вернувшись из отпуска в сентябре 1928 года, Флеминг начал разбирать чашки Петри с колониями стафилококка – бактерии, которая может вызывать серьезные инфекционные заболевания. Занимаясь этим, он заметил в одной из чашек нечто необычное. Как и остальные чашки, она кишела бактериями, за исключением одного пятна, где росла плесень. Зона вокруг этого пятна была чистой, словно она выделяла нечто, что тормозит рост бактерий. Флеминг заинтересовался этим фактом и обнаружил, что «сок из плесени» способен уничтожать многие вредоносные бактерии. Так он открыл пенициллин!
Во время Второй мировой войны, помимо массового производства пенициллина, в США начался интенсивный поиск новых антибиотиков. В период между 1943 и 1946 годом Альберт Кельнер работал в Университете Пенсильвании, где проводил обширный скрининг бактерий в надежде обнаружить другие антибиотики. В 1946 году Флеминг приступил к работе в лаборатории Колд-Спринг-Харбор, руководил которой тогда Милислав Демерец, американский генетик родом из Хорватии, искавший новые антибиотики. Демерец хотел исследовать интересное явление, которое выражалось в том, что микроорганизмы, не выделяющие антибиотики, в результате мутации могут начать выделять их. Когда Кельнер поступил на работу в лабораторию, ему поручили именно это исследование.
Чтобы получить бактерии-мутанты, из которых один или несколько могли бы производить антибиотики, Кельнер облучил бактерии ультрафиолетом (УФ). Этот способ часто используют для возникновения мутаций у бактерий, поскольку УФ-свет активно повреждает ДНК. Для калибровки своей экспериментальной системы Кельнер подвергал кишечную палочку (E. coli) воздействию ультрафиолета в разных дозах, чтобы определить, какое по продолжительности и силе воздействие УФ-изучение дает оптимальное число мутированных бактерий и минимальное число
