Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

Клетки, которые находятся в искусственной среде длительный срок — скажем, на протяжении двадцати лет, также способны подчиняться этому 24-часовому циклу. Вполне вероятно, что часовой механизм клеток куда больше влияет на состояние нашего здоровья, чем было принято считать ранее. И возможно, в будущем будут найдены более эффективные способы переводить биологические часы клеток на новое время.

Каждый человек обладает уникальным набором генов, если только у него не имеется брат-близнец. Благодаря этому анализ ДНК может использоваться для исключительно точной идентификации личности, что является весьма эффективным инструментом при расследовании уголовных дел и установлении личностей жертв катастроф.

Но содержащиеся в наших хромосомах ДНК не так стабильны, как можно было бы ожидать. Нуклеотиды могут перескакивать в структуре хромосомы с одного места на другое. Изменение структуры ДНК, вызванное заменой всего лишь одного нуклеотида, может иметь серьезные последствия, ибо следствием такого изменения становятся изменения в синтезируемых клеткой белках. Например, изменение нуклеотида в гене, отвечающем за синтез гемоглобина, приводит к серповидной анемии: белок получает из-за этого неправильную структуру и деформирует кровяную клетку, придавая ей ненормальную серповидную форму.

Мутации, то есть изменения в последовательности нуклеотидов в ДНК, случаются в первую очередь во время деления клетки и репликации всех ее составных частей. Однако ДНК может быть повреждена и из-за этого подвергнуться мутации не только в этот момент. ДНК, как и все остальные молекулы клетки, непрерывно бомбардируется другими молекулами, стремящимися найти себе подходящий объект, с которым они могли бы соединиться и создать новое химическое соединение. К сожалению, в результате некоторых таких столкновений структура ДНК может подвергнуться изменению — то есть место одних нуклеотидов в ней займут другие, в результате чего записанная в ней наследственная информация изменится. Очень часто это ведет к тому, что белки, синтезируемые по матрице измененной ДНК, приобретают новые свойства и не могут работать эффективно. Ультрафиолетовое и радиоактивное излучение, а также некоторые химические соединения также вызывают изменения в структуре ДНК, приводящие к мутациям.

При этом заметим, что в ходе эволюции были выработаны способы противодействия нежелательным мутациям и в случае повреждения цепочки ДНК немедленно вступают в действие особые механизмы по ее «ремонту». В этом случае спирали ДНК разводятся в разные стороны особыми белками в местах повреждения и «неправильный» нуклеотид заменяется на «правильный».

Когда мы говорим о перемещающихся генах, нельзя забывать о вирусах. Это не что иное, как гены, упакованные в защитную белковую оболочку. Вирусы сами по себе нежизнеспособны и воспроизводят себя только тогда, когда оказываются внутри клетки. Они используют для целей собственного воспроизведения внутриклеточные механизмы, созданные для репликации и размножения белков. В основе своей вирусы являются паразитами. Их размножение внутри клетки часто приводит к ее гибели, в результате чего клетка разрушается и выпускает из себя вирусы, которые заражают другие клетки.

Вирусы содержат простейшие геномы, необходимые для синтеза их защитной белковой оболочки и выработки энзимов, позволяющих воспользоваться клеточными механизмами воспроизводства и размножения. Оболочка простейшего вируса — пример возбудитель кори — состоит из белка одного вида и позволяет укрывать всего лишь три гена. Более сложные вирусы имеют несколько сотен генов и сложную оболочку. В дальнейшем мы рассмотрим вопрос о том, каким образом вирусы порождают болезни. Отметим, что гены некоторых вирусов являются не ДНК, а РНК.

Гены контролируют все, что происходит в нашем теле, — именно они определяют, какие белки и в каком количестве присутствуют в наших клетках. Однако у меня не вызывают симпатии рассуждения тех, кто приписывает влиянию генов все особенности человека — от красоты до нетерпимости. Коренятся или нет подобные отличительные черты в наших генах — слишком сложный вопрос. Сама его постановка может невольно ввести в заблуждение. Ведь, например, не существует единого гена, отвечающего за глаз. Многие сотни, если не тысячи генов влияют на развитие глаза, и при этом сбой или ошибка даже в одном из них может привести к возникновению серьезных отклонений.

Сам язык, при помощи которого обычно описываются многие явления, связанные с генами, часто провоцирует недоразумения. Ни один нормальный человек не возьмется утверждать, что автомобильные тормоза сконструированы для того, чтобы вызывать аварии. При этом, однако, очень часто можно встретить упоминания о «генах гомосексуальности» или «генах преступности».

Когда автомобильные тормоза, предназначенные для того, чтобы обеспечить безопасное вождение, отказывают, случается авария. Точно так же если преступные наклонности человека имеют некоторую генетическую основу, что отнюдь не является точно установленным фактом, то они проявляются не потому, что существует пресловутый «ген преступности», но потому, что изменения во множестве генов привели к нежелательным последствиям. Подобные изменения могли, например, повлиять на развитие мозга на ранней стадии или вызвать изменения в функционировании нервных клеток уже взрослого мозга.

Важно осознать, что в настоящий момент даже обладание знаниями обо всех генах человека не поможет нам точно предсказать, как будет функционировать его клетка или как будет развиваться его эмбрион. Возьмите, к примеру, следующую фразу: «Намерен тлена соединенью двух сердец я не может ли знает любви и безмерной измена мешать конец любовь не положить убыли». Слова, из которых она составлена, взяты из начальных строк знаменитого сонета Шекспира. По ним можно представить себе, чему посвящен его сонет, — кажется, речь в нем идет о любви, однако из набора этих слов совершенно невозможно понять, какие мысли автор сонета выражает в связи с этим. Примерно в таком же положении мы находимся сейчас в отношении понимания роли генов.

Мы знаем всю последовательность спирали ДНК человеческого генома, то есть последовательность цепочки ДНК всех человеческих генов. И это является выдающимся достижением, ведь мы можем идентифицировать 30 тысяч генов, которые контролируют наше развитие и нашу жизнь. Однако каждый из этих генов — что-то вроде отдельного слова в поэме и сам по себе мало что говорит нам о том, как будет вести себя в человеческом теле тот белок, который синтезируется на основе заключенной в нем наследственной информации, и о том, как этот белок будет взаимодействовать с другими белками. Выяснение последовательности человеческого генома — это только начало познания, и существует еще слишком много неизвестного, что только предстоит открыть. Если мы узнаем, как контролируется развитие эмбриона, то тогда, может быть, доберемся и до смысла шекспировского текста, который должен выглядеть так:

Всего шесть лет назад были опубликованы две версии последовательности генома человека. Обе эти версии — результат сравнительных исследований геномов многих анонимных доноров. Не так давно один американский ученый, Крейг Вентер, опубликовал последовательность своего собственного генома.

Сложно представить, что именно приводит Вентера в восторг, когда он рассматривает свой собственный геном, однако в принципе изучение последовательности нуклеотидов в гене может быть потенциально полезным, — например, благодаря этому можно выявлять известные науке виды мутаций генов, увеличивающих риск тех или иных заболеваний.

Можно ли, исследуя геном человека, предсказать, как будет вести себя организм в целом? Относительно отдаленного будущего ответ, вероятно, будет утвердительным, но сейчас это так же невозможно, как реконструировать связный текст сонета по отдельным хаотично разбросанным словам. Ключ к пониманию того, как функционируют живые системы, — это белки, а гены всего лишь предоставляют информацию, благодаря которой белки синтезируются. Знание структуры человеческого генома подскажет, какие белки будут синтезироваться в клетках, однако это не позволит нам получить легкий ответ на вопрос, когда и где такие белки будут синтезироваться в теле растущего эмбриона. Ведь десятки тысяч белков постоянно и непрерывно взаимодействуют друг с другом внутри клетки, но при этом геном сам по себе не может задавать ни характер, ни последовательность этих взаимодействий.