Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир - Партасарати Рагувир
Архитектура нуклеосом и волокон ДНК вводит нас в обширную тему регуляторных схем, с помощью которых клетки контролируют свою активность, включая и выключая гены. В четвертой главе мы познакомимся с другими стратегиями принятия решений, реализуемыми по более быстрым и сложным схемам.
Задачу по ужатию ДНК в ограниченном пространстве решают не только ваши клетки. Ни один из живых организмов не позволяет ДНК свободно укладываться в виде случайно блуждающей цепи. Это актуально даже для не совсем живой природы: плотнее всего ДНК упакована в вирусах, маленьких капсулах генетического материала, которые заражают живые клетки и завладевают их механизмами репликации. Не все вирусы содержат двухнитевую ДНК, у некоторых геном представлен однонитевой ДНК либо даже одно– или двухнитевой РНК. Обладатели двухнитевой ДНК, к которым относятся вирусы герпеса и оспы, вынуждены упаковывать эту жесткую молекулу в белковую оболочку (капсид) диаметром всего несколько десятков нанометров, что опять же меньше сегмента Куна для двойной спирали ДНК. (Двухнитевая РНК даже жестче двухнитевой ДНК, а вот одиночные нити что ДНК, что РНК куда более гибкие.)
У вируса с двухцепочечной ДНК изогнутый, стиснутый полимер давит на капсид, пытаясь расправиться. Когда капсид открывается – например, в момент заражения клетки, – это внутреннее давление помогает протолкнуть ДНК в клетку-мишень. Можно ли измерить давление сжатой ДНК? Представьте, как закрытый капсид открывается и ДНК вырывается наружу. Теперь представьте, как капсид сжимается со всех сторон под внешним давлением и затем открывается. Если наружное давление меньше внутреннего, ДНК все равно выйдет наружу. Если же наружное давление больше, ДНК останется внутри. Изменяя внешнее давление и наблюдая, выходит ли при этом ДНК, можно определить давление внутри вирусной частицы (вириона).
Представить описанное несложно, однако на практике не обойтись без хитроумных трюков, один из которых около 15 лет назад применила команда Уильяма Гелбарта из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Естественное открытие капсида запускается, когда вирус встречается с особыми белками на поверхности клетки-мишени. Добавляя эти белки в пробирку с вирусными частицами, открывать капсиды можно «по требованию». Вирионы рассеяны в водном растворе. При добавлении в раствор крупных молекул растет осмотическое давление: это несколько напоминает бомбардировку вируса всеми молекулами, плавающими вокруг него, и действует на него, как то гипотетическое сжатие капсидов. Изменяя осмотическое давление и открывая капсиды с помощью белков, ученые зафиксировали внутри вирусов давление в десятки атмосфер12. (Для сравнения: давление воздуха в автомобильной шине составляет около двух атмосфер.) Чтобы лучше прочувствовать масштаб механического подвига вирусов, биофизик Роб Филлипс советует представить, как почти 500 метров стального троса с моста Золотые Ворота заталкивают в кузов фургона FedEx. Такое гигантское внутреннее давление полезно для вируса тем, что помогает ему внедрять ДНК в клетки-мишени, где она реплицируется и запустит производство новых вирусов.
Невозможно постичь ДНК, не разобравшись в ее физических характеристиках. Форма, структура и механика неразрывно связаны с биологической функцией. Это утверждение верно не только для ДНК, но и для всех биомолекул в природе – биофизика постоянно имеет дело с такими зависимостями. В следующей главе мы вернемся к вопросу о том, как удивительно малое число генов может управлять процессами, которые делают вас вами, и узнаем, как гены включаются и выключаются – под действием внешних факторов или других генов, – создавая сеть взаимодействий, опять же неотделимую от осязаемых, физических проявлений молекул жизни.
Глава 4. Хореография генов
В третьей главе мы сформулировали основную загадку наследственной информации: как какие-то 20 тысяч генов кодируют вас во всей вашей сложности? Как всего 20 тысяч белков – 20 тысяч инструментов или 20 тысяч компонентов – выполняют головокружительное количество задач, решаемых вами: от роста и дыхания до чтения и воспроизводства? Разумеется, это антропоцентричная формулировка вопросов, и точно так же мы могли бы спросить, как это 20 тысяч генов делают лошадь лошадью, а 30 тысяч создают дафнию.
Мы далеки от исчерпывающего ответа на любой из этих вопросов, и ученым будет чем заняться еще десятки, если не сотни лет. Однако мы открыли любопытные общие принципы и закономерности кодирования жизни во всей ее сложности и даже начали применять их для конструирования организмов неслыханными способами. В предыдущей главе мы рассматривали гены в относительной статике – упакованными в пространство клетки и потенциально способными руководить сборкой белков. Теперь мы вводим фактор времени – стимуляцию и подавление преобразования генетической информации в физическую активность в зависимости от нужд динамичных живых существ. Этой хореографией генов в значительной степени управляют сами гены. Прежде мы рассматривали самосборку в вещественном, структурном смысле. Здесь мы встретимся с более абстрактным ее проявлением, в рамках которого молекулярные функции вплетаются в регуляторные сети, превращающие любой организм в биологический компьютер. Чтобы понять все это, начнем с рассмотрения включения и выключения генов.
И клетка, и целый организм могут контролировать, когда и нужно ли вообще активировать любой из их генов – иными словами, стоит ли в тот или иной момент переводить его последовательность A, Ц, Г и T в последовательность нуклеотидов РНК, а затем в белок. Механизмы контроля подвергаются влиянию условий среды, в которой пребывает клетка или организм, и могут отвечать активацией или инактивацией соответствующих генов. Даже не понимая пока деталей регуляции, вы можете догадываться, что избирательность здесь просто необходима, ведь ваше тело состоит из очень разных клеток, обладающих одинаковыми копиями ДНК. Геномы нейронов, клеток кожи и, скажем, секреторных клеток выстилки вашего кишечника идентичны. Но эти клетки выглядят по-разному, выполняют разные функции и производят разные наборы белков. Гены белков, участвующих в выработке слизи, не должны работать в нейронах; гены белков, прочно скрепляющих соседние клетки, должны быть активны в коже; секреторные клетки должны игнорировать гены, отвечающие за отправку электрических сигналов на большие расстояния. Следовательно, нам необходимы механизмы избирательного «включения» и «выключения» генов. Давайте узнаем, как реализуется такой контроль.
Вспомним, как происходит транскрипция. Фермент РНК-полимераза движется по ДНК, как поезд по рельсам, и копирует нуклеотидную последовательность гена с ее начала до стоп-сигнала, формируя нить РНК. Но РНК-полимераза не привязана к ДНК. Значительную времени она плавает в жидкой среде поблизости и прицепляется к ДНК, только если случайно натыкается на специфическое сочетание нуклеотидов. Как мы узнали из третьей главы, такие сочетания – промоторы – примыкают к генам или группам генов. ДНК обладает полярностью, и РНК-полимераза, считывающая одну из нитей двойной спирали ДНК, движется в заданном направлении. Ген (его кодирующая часть) расположен ниже своего промотора по ходу транскрипции, и полимераза, «севшая» на промоторную последовательность, в итоге транскрибирует примыкающие к ней гены. Управление посадкой РНК-полимеразы обеспечивает регуляцию транскрипции генов – один из самых действенных способов контролировать их активность.
Раньше всего мы изучили механизмы регуляции транскрипции у бактерий. Представьте, что вы бактерия. Вам нравится питаться сахарами, но для этого нужны расщепляющие сахар белки. Вы предпочли бы вырабатывать больше таких белков, только когда встречаете сахар, и не расходовать энергию впустую, когда сахара рядом нет. Как этого добиться? В качестве примера рассмотрим реальный сахар, лактозу, и регуляторный механизм бактерии Escherichia coli, довольно типичный для живой природы [26].
