генетический код когда открыли
Раньше жизнь была проще: как появился генетический код
Загадка происхождения жизни — один из самых жгучих вопросов, стоящих перед наукой. Пока ответ не найден, все успехи человечества в решении прикладных медицинских или биологических задач можно сравнить с попытками туземцев, никогда раньше не видевших самолетов, научиться пилотировать свалившийся на них с неба боинг. Тем не менее поиски ответа продолжаются. И хотя число ученых, сражающихся на этом фронте, в десятки раз меньше, чем занятых, к примеру, небольшими усовершенствованиями системы редактирования генов CRISPR, каждое их достижение удостаивается немедленного внимания научной общественности. А тем более если речь идет ни много ни мало о загадке происхождения генетического кода. В статье Чарльза Картера и Питера Уиллса, опубликованной в этом месяце в журнале Nucleic Acid Research, речь как раз об этом.
Два профессора — один из США, другой из Новой Зеландии — проанализировали взаимодействие частей механизма, обеспечивающего включение правильных аминокислот в растущую белковую цепь. Механизм этот настолько хитроумен, что отрицатели эволюционной теории нередко использовали его как пример «неустранимой сложности» — такого элемента живой природы, который якобы никак не мог возникнуть путем постепенных усовершенствований, потому что малейшее упрощение тут же лишает всю эту конструкцию смысла. Задача профессоров Уиллса и Картера в том и состояла, чтобы предложить разумную гипотезу, объясняющую, от каких простых предшественников могла эволюционировать эта изумительно сложная система.
Механизм трансляции — именно так называется эта система — призван переводить информацию, записанную в гене алфавитом из «букв»-нуклеотидов, в последовательность аминокислот — единиц строения белков. Ключевую роль в этом переводе играет тРНК. Эта довольно большая молекула на одном конце имеет три «буквы», узнающие соответствующий им кусочек гена (вернее, считанной с него мРНК). На другой конец молекулы — «акцепторный стебель» — в нужный момент навешивается соответствующая аминокислота. Аминокислот, как известно, существует двадцать, тРНК еще больше, и для каждой пары тРНК и аминокислоты есть своя «машинка», которая их соединяет, под названием «аминоацил-тРНК-синтетаза» (ААРС).
Все эти «машинки» различаются в деталях, но несколько десятилетий назад биологи заметили, что некоторые из них чуть больше похожи друг на друга. А именно, 20 ААРС распадаются на два класса, по десять «машинок» в каждом, причем эти классы устроены принципиально по-разному. Ранее Картер и Уиллс нашли убедительные доказательства, что каждый класс произошел от одного белка-предка. Классы ААРС различаются еще и тем, какие аминокислоты они предпочитают: первому классу обычно нравятся более крупные аминокислоты, второму — небольшие и электрически нейтральные.
Если два разных класса «машинок»-белков распознают два разных класса аминокислот, то довольно естественно предположить, что и тРНК должны разделяться на два класса, восходящие каждый к своему предку. Именно это и продемонстрировали Уиллс и Картер в своей статье.
Авторы сравнивают свою находку с палимпсестом, на котором реставраторам удалось восстановить под наслоениями содержание самой первой записи.
Оказалось, что всего три нуклеотида на «акцепторном стебле» хранят информацию о том, к какому классу относится та или иная тРНК. Этот недостающий фрагмент пазла и искали Картер и Уиллс, чтобы подтвердить свою гипотезу. Она состоит в том, что в самом начале развития жизни существовало всего два типа тРНК, обслуживаемые всего двумя типами машинок ААРС. Такая система была не слишком разборчивой и могла лишь определить, включать ли в белковую цепь аминокислоту покрупнее или обойтись маленькой. Возможно, что и выбор аминокислот в те времена был более скуден, чем сегодня, и даже не исключено, что их было в наличии всего две (а если их было больше, то точный выбор, вероятно, не имел большого значения для работы тех примитивных белков-катализаторов). Согласно гипотезе Картера и Уилса, именно из такой несложной системы развился сложнейший аппарат белкового синтеза, украшающий сегодня все формы жизни, от бактерий до человека.
Приятным сюрпризом для исследователей стало еще одно наблюдение, отвечающее на вопрос, мучающий молекулярных биологов уже три десятилетия. Как ужу было сказано, тРНК — довольно большая молекула, и если «машинка» ААРС возится в основном в районе «акцепторного стебля», то распознавание информации, записанной в гене, происходит довольно далеко оттуда (эта часть молекулы называется «антикодоном»). Чтобы объяснить, как такая конструкция могла возникнуть в эволюции, ученым приходилось предполагать, что миллиарды лет назад, когда элементы жизни только начинали оформляться, тРНК были гораздо меньше. При таких условиях ААРС могли бы узнавать тот же самый участок тРНК, что отвечал за ее специфичность, то есть содержал «кодовое слово», соответствующее информации в гене.
Ни малейших доказательств этой гипотезы найти не удавалось. Однако из анализа, проведенного Картером и Уиллсом, следует, что одна из трех обнаруженных ими «букв», определяющих разделение тРНК на два класса (а именно, нуклеотид номер два), как раз и есть остаток того самого древнего антикодона. В ходе дальнейшей эволюции эта функция переместилась на новое место, однако следы старого местоположения удается обнаружить. Авторы сравнивают свою находку с палимпсестом — древним пергаментом, на котором старый текст был заменен на новый, однако реставраторам удалось восстановить под наслоениями содержание той самой первой записи.
При всей серьезности результатов Уиллса и Картера они не ставят точку в истории происхождения генетического кода. Тем не менее круг возможных гипотез удалось сильно сузить. Чтобы доказать правильность гипотезы, исследователи могли бы попробовать воспроизвести архаичную систему трансляции в лаборатории. Потом, возможно, они позволили бы ей эволюционировать и с изумлением наблюдали бы, как на их глазах из этой примитивной химии вырастает «неустранимая сложность» современных живых систем. То, что возможности молекулярной биологии пока не позволяют проделать этот опыт, не означает, что он не будет поставлен никогда: человеческим возможностям свойственно расширяться.
Интриги, ложь и странные случайности — как учёные открывали структуру ДНК
8 июня — день рождения Фрэнсиса Крика, который вместе с Джеймсом Уотсоном получил Нобелевскую премию за открытие структуры ДНК. Это событие перевернуло историю биологии, а история открытия похожа на детективный роман.
«Раньше мы считали, что наша судьба написана на звёздах. Сегодня мы знаем, что наша судьба в большей степени написана в наших генах».
Будет что открыть
В 1916 году, в разгар Первой мировой войны, в семье выходцев из среднего класса Гарри и Анны-Элизабет Крик родился сын Фрэнсис. Крики жили в центре Англии у Нортгемптона. Гарри управлял обувной фабрикой своего деда. Его дедушка, Уолтер Дробридж Крик, был биологом, геологом и палеонтологом; он даже писал статьи в соавторстве с Чарльзом Дарвином.
Дома у Криков придерживались старинных обычаев — например, старались, чтобы первый гость, переступивший порог в Новый год, оказался темноволосым, а не блондином: считалось, что это приносит удачу. После рождения Фрэнсиса вынесли на крышу дома, чтобы гарантировать мальчику «восхождение на вершину».
Анна-Элизабет, как многие мамы, полагала, что ее сын наделен исключительными талантами, и делала все для того, чтобы развить его способности: мальчику покупали книги, он жадно читал, особенно любил «Детскую энциклопедию». Больше всего его интересовали естественные науки. Как устроена Вселенная? Что такое атомы? Откуда все берется? Фрэнсис решил стать ученым — правда, он боялся, что, когда вырастет, всё на свете уже откроют. «Не переживай, зайчик, — сказала мама. — Тебе еще будет что открыть».
В 10 лет Фрэнсис начал проводить эксперименты: ему купили учебник по химии. Он пытался получить искусственный шелк (неудачно), взрывал различные смеси (с большим успехом), собирал гербарии, издавал рукописный журнал. Но он не был ни вундеркиндом, ни даже ребенком с выдающимися способностями: просто отличался любознательностью, предприимчивостью и энергией.
В 12 лет Фрэнсис сказал родителям, что больше не пойдет в церковь: его интерес к науке трансформировался в религиозный скептицизм и атеизм.
«Я рано осознал, что в свете обстоятельного научного знания некоторых религиозных верований придерживаться затруднительно. Знание реального возраста Земли и палеонтологических данных не позволяет никому, кто наделен рациональным мышлением, верить в буквальную истинность каждой строчки Библии, как верят в нее фундаменталисты».
Критерий сплетни
Учился Фрэнсис Крик в самой обычной школе Нортгемптона; в 14 за успехи в учебе он получил стипендию на обучение в частной лондонской школе Милл Хилл. Это была школа для мальчиков, где неплохо преподавали точные и естественные науки; особое внимание уделялось физике, химии и математике. 7 июня 1933 года он получил премию Уолтера Нокса по химии.
Фрэнсис увлекся физикой. В 18 лет он поступил в Лондонский университетский колледж, в 21 сдал итоговый экзамен по физике и математике с отличием; преподавание в лондонском университете было «грамотным, но несколько старомодным»: квантовой механике, например, отводилось шесть лекций, а что касается математики, то теорию групп на занятиях даже не упоминали.
После университета Фрэнсис занялся исследованиями в Университетском колледже Лондона: изучал коэффициент вязкости воды под давлением (позже он назвал свою тему «самая неинтересная научная проблема»). В начале 1940 года он перешел в Адмиралтейскую лабораторию научных исследований, женился, а во время войны работал в отделе проектирования морских мин.
После окончания войны Крика ждало место в отделе научной разведывательной информации Адмиралтейства в Лондоне, но он решил изменить свою научную специальность. Фрэнсис мечтал о фундаментальных, а не о прикладных исследованиях. Но чем именно он хотел заниматься, только предстояло выяснить.
В 1947 году Крик начал изучать биологию. Ему пришлось перейти от «элегантности и глубокого понимания» физики на «сложные химические механизмы, естественный отбор которых развивался в течение миллиардов лет».
Ученый писал, что для того чтобы перейти от физики к биологии, нужно «почти заново родиться»
Свой переход он объяснил тем, что физика уже и так достигла больших высот — необходимо было развитие биологических дисциплин. Крика очень воодушевляла эта мысль. Фрэнсиса многое интересовало в биологии — больше всего граница между живым и неживым и работа мозга. Он назвал этот интерес «критерием сплетни»: предметом истинных интересов является то, о чем хочется рассказывать приятелям.
Выбрать между молекулярной биологией и нейробиологией было непросто; Крик решил, что знание физики поможет ему в первой из областей. Для того чтобы в 30 лет изменить научную специальность, предстояло многое наверстать: прежде всего органическую химию, биологию, биофизику. Крик старался много читать, самообразовываться, посещать семинары вольнослушателем. И стал искать себе новую работу.
Тайна живого и неживого
Так Фрэнсис Крик попал в Кавендишскую лабораторию физического факультета Кембриджа, где в 1949 году началась работа по изучению структуры белков методом рентгеновской дифракции.
Любой биолог после открытий Дарвина и Менделя задумывался, как именно в живой природе передается наследственная информация. Спор о носителях наследственности стал, пожалуй, главной проблемой биологии середины ХХ века. В модели наследственности как смешения свойств родителей у потомства должна была все время появляться смесь свойств родителей.
Бессмертная Генриетта Лакс: как мать пятерых детей изменила медицину
В дискретной модели наследственности гены — носители наследственных признаков не смешиваются, а лишь перекомбинируются. Опыты Менделя доказали дискретную природу наследственности — в них было ясно показано, что в третьем поколении регулярно появляются признаки первого поколения. В начале XX века открытия Менделя и Дарвина дождались Рональда Фишера — человека, соединившего биологию с математикой и математически обосновавшего менделевскую генетику и менделевские законы наследственности. И так было доказано, что наследственность дискретна, она состоит из генов, но как осуществляется процесс передачи?
В Кавендишской лаборатории с помощью рентгенографии белков хотели понять технологию передачи наследственной информации. К тому моменту уже было известно, что белки, осуществляющие функции ферментов, вовлечены в эти процессы. ДНК была лучшим кандидатом на передачу наследственной информации. Сегодня мы знаем, что ДНК является матрицей и носителем генетической информации, но, помимо этого, важнейшую роль в чтении, регуляции и передаче, связанных с наследственной информацией, играют РНК и белки. Пахло несколькими Нобелевскими премиями и огромным научным прорывом.
В Кембридже, Лондоне и Калифорнии
В то время над структурой ДНК работали три команды исследователей в Америке и Англии: в Калифорнии — Лайнус Полинг, в Кавендишской лаборатории Кембриджа — Уотсон и Крик, в Университетском колледже Лондона — Морис Уилкинс и Розалинд Франклин.
Полинг, только что открывший структуру белка, мог легко стать первым и в определении структуры ДНК, поэтому все команды спешили. История открытия драматична, а сюжет похож на детективный: в нем есть обиды, передергивания, ложь, этически сложные решения и то, что называется человеческим фактором.
Директор Кавендишской лаборатории решил пойти по неизбитому пути: он пригласил на работу Джеймса Уотсона, молодого американского биолога английского происхождения. Уотсон был вундеркиндом: в 23 он уже защитил докторскую диссертацию по биологии (о воздействии рентгеновских лучей на размножение бактериофагов), решил посвятить свою жизнь генетике и интересовался физикой. Фрэнсису Крику было 33, и в 1949-м он был всего лишь начинающим аспирантом-биофизиком, правда, со знаниями в нескольких областях; внимательным и наблюдательным самоучкой. Крик уже работал в рентгенографии и кристаллографии над структурой белков и неплохо понимал рентгенограммы. Итак, в Кембридже были биолог с интересом к физике и физик, увлекшийся биологией. Но, пожалуй, главным было то, что 23-летний Уотсон и 33-летний Крик неплохо работали вдвоем: они шутили и могли после работы сходить в паб. Как увидим, человеческие отношения значили многое в этом открытии.
Радий — элемент-убийца, который долгое время считали лекарством. История Марии и Пьера Кюри
По-другому сложилась обстановка в Университетском колледже Лондона. В то время Медицинским исследовательским советом в отделении биофизики, где изучали структуру ДНК, руководил Джон Рэндалл, который собрал интересную команду: заместителем был его бывший аспирант Морис Уилкинс, талантливый физик, недавно вернувшийся из Беркли, где он принимал участие в проекте «Манхэттен». Уилкинс был замечательным ученым, и Рэндалл очень стремился привлечь его в проект: он пообещал Уилкинсу руководство исследованиями ДНК. Талант биофизика Розалинд Франклин, успешной ученой-рентгенографа, совершенствовавшей технику микросъемки и добивавшейся удивительных по четкости рентгенограмм молекул, был востребован во Франции; чтобы переманить ее в Лондон, Рэндалл втайне от Уилкинса пообещал ей ту же позицию — руководителя исследования. Это создало в лаборатории напряженную атмосферу: Уилкинс ждал от Франклин подчинения, а она требовала того же от Уилкинса; дошло до откровенной неприязни — Уилкинс звал ее «синим чулком», она не молчала в ответ. Как знать — если бы не ссора между ними, кто открыл бы структуру ДНК?
Фотография 51
Ключевую роль в решении задачи о строении ДНК сыграла рентгеновская фотография 51, сделанная в Университетском колледже Лондона Розалинд Франклин и ее аспирантом Раймондом Гослингом. Эта фотография была получена с такой точностью, потому что Франклин, хорошо знавшая физическую химию, умело управляла гидратацией образцов, а благодаря своему опыту в работе с дифрактором внесла усовершенствования в аппарат для съемки и настроила его.
До этого все лаборатории пытались снять молекулу в разных проекциях, но снимки получались нечеткими. Уилкинс считал, что ДНК имеет спиральную структуру, Франклин ему возражала, а Лайнус Полинг считал, что молекула должна состоять из трех спиралей.
Розалинд Франклин получила фотографию 51 в мае 1952 года на дифрактометре усовершенствованной ею конструкции. В январе 1953 года Джеймс Уотсон посетил лабораторию Рэндалла — обе лаборатории финансировались Советом по медицинским исследованиям. Британцы спешили: Лайнус Полинг опубликовал препринт статьи о трехспиральной ДНК, и, если он увидит новые данные, он, разумеется, предположит, что спиралей две. Морис Уилкинс показал (без ведома Франклин) очень четкую фотографию 51, на которой явно были видны две спирали ДНК, Джеймсу Уотсону. Интересно, что сын Лайнуса Полинга, Питер, работал в лаборатории вместе с Уотсоном и Криком, и поэтому они видели препринт статьи Полинга о трехспиральной структуре.
Много лет не стихают споры, почему Уотсон и Крик получили доступ к результатам Розалинд Франклин и не спросили у неё разрешения перед публикацией. Вышло, как говорится, не очень. Сэр Джон Рэндалл впоследствии настаивал, что все работы по ДНК принадлежат Совету по медицинским исследованиям; в начале 1953 года Розалинд Франклин уволилась из лаборатории Университетского колледжа.
Вырезай и склеивай, или Аденин, тимин, цитозин, гуанин
28 февраля 1953 года ликующий Фрэнсис Крик вошел в паб Eagle в Кембридже и объявил, что он и Джеймс Уотсон «нашли секрет жизни».
Месяцем позже Уотсон и Крик собрали трехмерную модель молекулы ДНК, сделанную из шариков, кусочков картона и проволоки.
Доступ Крика к результатам расчетов Франклин конца 1952 года, увиденная Уотсоном фотография 51 давали подтверждение догадкам, что ДНК — двойная спираль. Но как устроена сама эта двойная спираль, из чего она состоит, как устроены цепи и процесс репликации, — это открыли Уотсон и Крик.
Реконструкция модели двойной спирали ДНК Крика и Уотсона 1953 года
Фото: The Board of Trustees of the Science Museum / CC BY-NC-SA 4.0
Ключевой проблемой, которую необходимо было разгадать, было понимание того, как нуклеотидные основания образуют ядро двойной спирали. Закономерности связи нуклеотидов между собой навели ученых на мысль о комплементарности азотистых оснований. Окончательные правильные соотношения (A-T, G-C) были получены Уотсоном. Он нарезал из картона детали, моделирующие молекулы пуринов и пиримидинов, и стал раскладывать вырезки на столе.
Между прочим, в замечательной книге «Исчезающая ложка» Сэма Кина об истории химических элементов и открытий в главе о Лайнусе Полинге и открытии ДНК упоминается некий коллега Уотсона и Крика, заметивший равное процентное соотношение аденина — тизина в сухой ДНК; он пытался поделиться этим открытием с Полингом, тот отмахнулся, а вот Уотсон и Крик его выслушали и выводы сделали правильные. Кин не называет фамилии этого ученого.
За открытие структуры ДНК Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик совместно с Морисом Уилкинсом в 1962 году получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине, Франклин премию не получила: она умерла от рака в 1958 году.
19 марта 1953 года Крик написал сыну, который учился в британской школе-интернате, письмо об открытии. 10 апреля 2013 года это письмо было продано на аукционе Сhristie’s в Нью-Йорке за 6 миллионов долларов.
После открытия спирали
В 1954 году в возрасте 37 лет Фрэнсис Крик закончил работу над диссертацией и получил докторскую степень. Затем он занялся механизмами синтеза белка в Политехническом институте Бруклина в Нью-Йорке; потом вернулся в Кембридж, где работал до 1976 года, затем переехал в Калифорнию, в Институт Солка. В 1958-м на выборах профессора генетики в Кембридже Крик был забаллотирован и не получил должность.
Несколько десятилетий Крик посвятил молекулярной биологии и процессам ДНК —> РНК —> белок; кроме этого, он поработал и во второй интересовавшей его области — нейробиологии.
Последовательного атеиста, его занимал вопрос, почему так много людей религиозны, несмотря на то что простая логика разбивает многие из религиозных утверждений в прах. Он предложил новое направление для исследований, которое назвал «биохимической теологией». Крик писал: «К молитве прибегает столь много людей, что трудно поверить, что она не приносит им удовлетворения». Он предлагал провести исследования людей за молитвой и предполагал, что при определенных условиях мозг верующих может вырабатывать дофамин.
Крик был ярым противником преподавания креационизма в школах и выдвигал идею сделать День Дарвина британским национальным праздником
Кроме того, Крик был сторонником идеи панспермии — распространения жизни во Вселенной; он считал, что производство живых систем из молекул — уникально редкое явление во Вселенной.
Крик — автор четырех книг: «О молекулах и людях», «Жизнь как она есть: ее происхождение и сущность», «До чего же дикая погоня: личное представление о научном открытии» и «Удивительные гипотезы: научный поиск души» — они дают представление о его мастерстве рассказчика, чувстве юмора и широте интересов, благодаря которой коллеги называли его «интеллектуальной электростанцией». Говорили, что подлости в нем не было ни на йоту, а вот смелости высказывать научные идеи — много.
«Человека с узким кругозором легко увлечь лженаукой». Биолог Александр Панчин — о том, зачем детям изучать научный метод
Фрэнсис Крик умер в 88 лет в 2004 году в Калифорнии. А последствия их с Уотсоном открытия все еще служат человечеству. В 70-х годах появилось несколько важнейших научных методов, основанных на открытии Уотсона — Крика. Секвенирование позволяет изучать последовательность генов и проводить масштабные исследования вроде «Генома человека». Генетически модифицированные продукты, полимеразная цепная реакция (да-да, тот самый ПЦР-тест, который мы с вами постоянно сдавали весь прошлый год) — быстрая и точная диагностика вирусных заболеваний — всеми этими вещами человечество обязано Фрэнсису Крику и Джеймсу Уотсону.
На обложке: Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон. Фото: Shutterstock / Billion Photos, Wikimedia Commons / Wellcome Collection / CC BY 4.0
В статье использованы цитаты из книги Фрэнсиса Крика »Что за безумное стремленье», вышедшей в 2020-м году в издательстве АСТ.
Таинственный код нашего генома
Расшифровка генетического код стала важным научным событием двадцатого века. Сейчас перед учеными появляются новые загадки о функционировании нашего генома.
Автор
Редакторы
Последовательность ДНК определяет строение белка с помощью триплетного генетического кода, в котором каждой аминокислоте соответствует три нуклеотида. Случайные мутации приводят к изменению последовательности нуклеотидов, в результате чего появляются новые варианты белков. Именно так до недавнего времени представляли себе ученые эволюцию белков. Но благодаря исследованиям последних лет оказалось, что помимо генетического кода есть и другие «коды», которые диктуют эволюции белков свои правила.
Одним из важных свойств генетического кода является его избыточность — каждая аминокислота, как правило, кодируется не одним, а 2–6 кодонами. Интересно, что при этом частота использования разных кодонов, отвечающих за одну и ту же аминокислоту, различается как в прокариотических, так и в эукариотических геномах [1]. У организмов с коротким жизненным циклом предпочтения одних кодонов другим связывают с необходимостью в увеличении эффективности транскрипции и стабильности мРНК [2], [3]. Однако в случае геномов млекопитающих такое объяснение подходит лишь для небольшого количества случаев, поэтому в последние годы ученые активно занимаются изучением особенностей геномов млекопитающих и причин предпочтительного использования тех или иных кодонов.
Важное значение в частоте использования кодонов играют транскрипционные факторы — к такому выводу пришла группа ученых из Университета Вашингтона под руководством Джона Стаматояннопоулоса (John A. Stamatoyannopoulos). В опубликованной в журнале Science статье обсуждается, как транскрипционные факторы могут управлять эволюцией белков посредством влияния на частоту использования кодонов [4].
Транскрипционные факторы (ТФ) — это белки, регулирующие транскрипцию генов при связывании с ДНК. ТФ могут повышать транскрипцию или снижать ее, влияя, таким образом, на количество мРНК и белка, соответствующих определенному гену. Долгое время считалось, что ТФ связываются только в некодирующей (не содержащей генов) части ДНК. В своем новом исследовании группа Стаматояннопоулоса выяснила, что на самом деле во многих генах человека ТФ связываются с кодирующими последовательностями ДНК (т.е. с теми, которые являются частью генов). Так как эффективность связывания ТФ с ДНК зависит от того, какие именно нуклеотиды находятся в сайте связывания, ТФ могут снижать возможное разнообразие кодонов в местах своей посадки (рис. 1). При этом даже нейтральные с точки зрения белка мутации (те, при которых последовательность аминокислот не меняется благодаря избыточности генетического кода) могут изменять эффективность связывания ТФ с ДНК и становиться материалом для естественного отбора. Получается, что эволюция белков определяется не только хорошо изученным генетическим кодом, но и другим особенным кодом — «кодом связывания ТФ». Ранее были описаны и некоторые другие «регуляторные» коды, которые контролируют организацию хроматина [5], пространственную структуру и сплайсинг мРНК [5], [6], эффективность трансляции [7], ко-трансляционный фолдинг белков [8] (рис. 2). Все они могут влиять на предпочтительное использование тех или иных кодонов.
Рисунок 1. Неслучайная частота использования кодов в дуонах в местах связывания ТФ с ДНК. На гистограмме видно, что частота использования некоторых кодонов на 5–15% выше в дуонах, чем вне дуонов. В случае аргинина кодон AGA, напротив, гораздо реже встречается в дуонах, чем в других участках генома. В левой части рисунка — распределение частоты использования разных кодонов на примере кодонов для аспарагина и лейцина.
Насколько в геноме распространено применение дополнительных «регуляторных» кодов, которые перекрывают генетический код, и какое влияние они оказывают на эволюцию белков? Сотрудники лаборатории Стаматояннопоулоса попытались ответить на этот вопрос при исследовании «кода связывания ТФ». Чтобы выявить участки ДНК, связывающиеся с ТФ, они применили метод картирования с помощью дезоксирибонуклеазы I. Этот фермент разрушает одноцепочечные участки ДНК — если только они в этот момент не связаны с ТФ (в таком случае они сохранятся). Ученые исследовали 81 тип человеческих клеток, определив точные нуклеотидные последовательности связанных с ТФ участков генов. Оказалось, что приблизительно 14% кодонов в 86,9% генов человека связаны с различными транскрипционными факторами. В своей статье исследователи предлагают называть эти участки генов «дуонами», т.к. они кодируют два типа информации — информацию о белковой последовательности в виде генетического кода и информацию об экспрессии гена с помощью связывания ТФ. Для нормальной экспрессии гена необходимо связывание ДНК с ТФ, поэтому существуют определенные ограничения на использование различных кодонов, обусловленные строением ДНК-связывающего участка ТФ.
В геноме человека широко распространены однонуклеотидные полиморфизмы (single nucleotide polymorphisms, SNP) — различия последовательности гомологичных генов разных людей на один нуклеотид. Могут ли такие однонуклеотидные различия повлиять на эффективность связывания ТФ с ДНК? Чтобы узнать это, ученые из лаборатории Стаматояннопоулоса нашли на полученной ими карте дуонов почти 600 тыс. известных сайтов SNP, связанных с развитием какого-либо заболевания или проявлением определенного фенотипического признака. Оказалось, что 17,4% сайтов полиморфизма изменяют результаты картирования с помощью дезоксирибонуклеазы I, т.е. они, вероятно, снижают эффективность связывания ТФ с ДНК. Это изменение не зависит от того, является ли данный полиморфизм синонимичным или несинонимичным (т.е. влияет ли замена нуклеотида на замену аминокислоты в белке). Интересно, что значительная часть несинонимичных замен, хотя и приводит к изменению последовательности белка, не приводит к нарушению его функций. В этих случаях изменения нуклеотидной последовательности приводят только к нарушению связывания ТФ с ДНК. Эта находка поддерживает гипотезу о том, что SNP в кодирующей ДНК могут приводить к развитию заболеваний без влияния на функцию белка [9], [10]. Поэтому при изучении роли SNP в различных заболеваниях и при исследовании экзома необходимо учитывать весь спектр «регуляторных кодов», взаимодействующих с последовательностью гена.
«Регуляторные коды» далеко не всегда мирно и гармонично сосуществуют. В генах плодовой мушки Drosophila melanogaster ближе к концу экзонов наблюдается резкое снижение частоты использования оптимальных для трансляции кодонов и повышение частоты использования кодонов, которые облегчают сплайсинг мРНК [11]. Это показывает, что в ходе эволюции потребность в точном сплайсинге была выше, чем потребность в более эффективной трансляции. Также при исследовании дуонов и других ТФ-связывающих участков ДНК оказалось, что среди этих последовательностей нет стоп-кодонов.
Рисунок 2. «Тайные коды» нашего генома, которые определяют частоту использования кодонов и выбор аминокислот в эволюции белков, независимо от выполнения белком его функций
Что же может обеспечить взаимовыгодное соседство «регуляторных» и генетического кодов? Одним из ключевых ограничений для белок-кодирующих генов является то, что последовательность гена должна обеспечивать нормальный фолдинг кодируемого белка. Мутации, нарушающие правильную укладку, с большой вероятностью будут отсеяны как вредные. Можно предположить, что когда необходимость правильного фолдинга отсутствует (например, в неструктурированных белках [12]), белок-кодирующая последовательность может содержать большее количество регуляторных элементов для различных «регуляторных кодов». Действительно ли это так, помогут узнать дальнейшие исследования.
Несмотря на то, что в работе Стаматояннопоулоса и его коллег было сделано много интересных наблюдений о функционировании «кода связывания ТФ», некоторые вопросы остаются открытыми. Например, авторы статьи отмечают, что ТФ гораздо реже связываются с генами с высокой экспрессией, но не ясно, как ТФ при связывании с белок-кодирующими участками ДНК могут воздействовать на транскрипцию этих генов. Возможно, что связывание ТФ в данном случае вызывает активацию альтернативного промотора или соседнего гена, снижая таким образом экспрессию гена с ТФ-связывающей последовательностью. С другой стороны, этот эффект может быть связан с перестройкой хроматина, которая приводит к снижению экспрессии ряда генов.
Новые исследования помогут ученым лучше понять, как различные «регуляторные коды» взаимодействуют друг с другом и с генетическим кодом. Интересно узнать, всегда ли природа могла найти оптимальное решение при сочетании разных кодов, или иногда возникали противоречия, приводящие к неоптимальным или вредным последствиям. Например, может оказаться, что белок-кодирующие последовательности ДНК, которым «трудно справиться» с обилием и разнообразием регуляторных элементов, активно используются патогенами при инфицировании хозяина. Обнаружение перекрывающихся «регуляторных кодов» в нашем геноме открывает новые перспективы для интерпретации различий и особенностей в последовательностях ДНК и указывает на то, что исследование генетического кода еще не подошло к концу.
Перевод редакционной колонки журнала Science [13].