Такого просто не может быть! Один код – одно вещество. Но при этом двадцать тысяч генов отвечают за синтез более ста тысяч белков. Где логика? Логика в явлении, которое называется альтернативным сплайсингом. Звучное название, интересный, можно сказать, уникальный процесс. Сплайсинг представляет собой процесс вырезания определенных нуклеотидных последовательностей (проще говоря – сегментов) из молекулы РНК в ходе процесса ее созревания. Да, не удивляйтесь, РНК, особенно матричные, «созревают» подобно винограду или яблокам. На самом деле про виноград и яблоки мы вспомнили просто так, для красного словца. Ничего общего с созреванием плодов и ягод созревание РНК не имеет, и заключается оно в том, что из молекул РНК удаляются (вырезаются) лишние, ненужные участки, не отвечающие за синтез белка. Эти лишние участки образуются в ходе синтеза молекулы РНК как вспомогательные. Для синтеза РНК они нужны, а для функционирования – нет. Вообще-то, правильнее было бы назвать этот процесс не созреванием, а избавлением от балласта. Но уж как назвали, так и прилепилось. Не в названии суть, а в том, что иногда после вырезания балласта разрезанная молекула РНК может быть «сшита» с пропуском какого-либо нужного, активного фрагмента. Такие «ошибки» приводят к тому, что на матрице «сшитой» РНК синтезируется другой белок, не такой, для синтеза которого матрица изначально предназначалась. Один ген – один код – разные белки. Спасибо альтернативному сплайсингу! Но ген-то ни в чем не виноват. Он честно служит основой для синтеза той РНК, на которую его запрограммировала природа и не стремится нарушать. А что уж там с РНК происходит в процессе созревания – не генное дело. Но в результате мы имеем то, что имеем, – пятикратное превышение количества синтезируемых в организме белков над количеством имеющихся генов. И при этом правило «один ген – один белок», по сути, не нарушается! Первоначальная «несозревшая» матрица РНК никаких отклонений от заданного кодом стандарта не имеет. Нет, вы оцените красоту этой генетической игры! И не спешите пугаться – что, мол, за беспредел творится в наших организмах? Вместо правильных белков образуется черт знает что! На самом деле никакого беспредела в сплайсинге не существует. Все находится под неусыпным наблюдением системы белков, называемых факторами сплайсинга. Эти факторы контролируют образование альтернативно сплайсированных матричных РНК. «Ошибки» сплайсинга на деле таковыми не являются, поскольку они заранее запрограммированы и позволяют синтезировать несколько белков на основе одного генетического кода. Несколько нужных организму белков! Допустим, что вы инженер-строитель и застраиваете целую улицу однотипными домами по одному-единственному проекту. Но всякий раз перед началом строительства ваши помощники вносят в проект определенные изменения, благодаря которым дома получаются не однотипными, а индивидуальными. Вы контролируете своих помощников и приступаете к строительству только после того, как убедитесь, что изменения не повредят делу. То есть ваш сплайсинг безопасен и полезен, потому что в результате улица получается не уныло-однотипной, а красивой. Это же совсем не то, если нерадивые строители сделают что-то не по технологии и в результате постройка обрушится. Гены могут иметь различные специальности… Нет, это не опечатка. Действительно могут. По выполняемым функциям все гены подразделяются на структурные и функциональные (на работяг и начальников). Простые работяги – структурные гены – содержат информацию о белках и РНК и добросовестно передают эту информацию по назначению. Функциональные гены руководят структурными генами, регулируют их работу. В зависимости от вида регуляции функциональные гены подразделяются на модуляторы (ингибиторы и интенсификаторы), регуляторы и операторы. Гены-модуляторы усиливают или ослабляют действие структурных генов. Ингибиторы – ослабляют, а интенсификаторы – усиливают. Ген-оператор «включает» и «выключает» структурные гены для считывания с них информации. Гены, да будет вам известно, включаются при необходимости, а не работают постоянно. Ген-регулятор руководит работой гена-оператора. Он содержит информацию, на основе которой синтезируется особый белок-репрессор, блокирующий ген-оператор. Задумывались ли вы когда-нибудь о том, как именно происходит блокировка или нейтрализация действия химических веществ в живых организмах? Путем связывания с их молекулами молекул белков. Можно сказать, что белковая молекула обхватывает молекулу блокируемого вещества «руками и ногами» и таким образом не дает ему выполнять свои функции. Транскрипция – довольно сложный процесс. Мы рассмотрим ее в другой главе, а сейчас просто познакомимся с тем, как работают гены разных специальностей. Ген-оператор объединяет несколько структурных генов в своеобразную «бригаду», которая работает на «стройплощадке» – участке молекулы ДНК, называемом опероном. Ген-оператор выступает в роли бригадира, который руководит рабочими и периодически покрикивает: «Давай-давай, шевелись быстрей!» Бригаде генов помогает в работе высококвалифицированный мастер – фермент РНК-полимераза, запускающий процесс синтеза РНК. Главным же руководителем (прорабом) является ген-регулятор, который решает, когда и сколько бригаде-оперону следует работать. Если нужно остановить работу на опероне, ген-регулятор отправляет к гену-оператору посыльного – белок-репрессор. «Шабаш! – командует этот белок гену-оператору. – Хватит работать! Давай расслабляться!» Для начала работы ген-регулятор отправляет к оперону другой белок – индуктор. Индуктор уводит прочь белок-репрессор. Освободившийся от навязчивого гостя белок-оператор командует своей бригаде: «Начинаем работу!» Вот так периодически и проходит транскрипция. А теперь, дорогие читатели, выполните одно несложное задание. Не обращаясь к помощи Гугла и прочих источников знаний, приведите пример того, что синтез белков в организме происходит не постоянно. Подсказка: самый простой пример буквально бросается в глаза в любом людном месте… Седина! Побеление, точнее – обесцвечивание волос, возникающее в результате возрастного прекращения синтеза пигмента меланина. Пример грубый, но наглядный и хорошо запоминающийся. Как увидите седого человека, так сразу же вспомните, что гены чередуют работу с отдыхом, а не трудятся неустанно, подобно сердечной мышце. Кстати говоря, до сих пор находятся «ученые» (слово не случайно взято в кавычки), которые отрицают существование генов и даже приводят какие-то аргументы в доказательство своей правоты. Воспринимать подобные «научные труды» можно только как юмористическую фантастику и читать только ради развлечения. Существование ДНК, РНК и генов доказано неопровержимо. Отрицать это – все равно что утверждать, будто солнце всходит на севере, а заходит на юге. Впрочем, при желании можно притянуть за уши аргумент, «доказывающий» это абсурдное утверждение. Солнце всходит на севере, и потому на севере холоднее – утреннее солнце еще не успело разогреться как следует и нагревает северные земли слабо. Но к полудню оно разогревается и южные земли нагревает интенсивно. И попробуйте только сказать, что это не так! Было бы утверждение, а подтверждающие аргументы всегда найдутся. Глава четвертаяГенетика на клеточном уровне, или Геном состоит из хромосом – Как называется единственный в природе гибрид металла и рыбы? – ХРОМоСОМа. Давайте поднимемся с молекулярного уровня на клеточный. Мы имеем на это полное право, поскольку знаем, что такое ДНК, РНК и ген. Пришло время узнать, в каком виде хранится ДНК в клетке и как происходит деление клеток. Если вы думаете, что клетки при делении попросту распадаются на две части, словно разрезанное пополам яблоко, то сильно ошибаетесь. Деление клеток – сложный процесс. Знатоки утверждают, что оно сложнее составления бухгалтерского баланса. Но не спешите пугаться и волноваться. Мы с вами разберемся во всех тонкостях деления клеток, рассмотрим разные варианты и сделаем это самым нескучным образом. А теперь – вопрос. Какая буква самая главная в алфавите, с точки зрения генетиков? Подсказка: эта буква есть и в кириллице, и в латинице. Первым делом на ум, конечно же, приходит буква «Г» – генетика, ген, генофонд! – но кириллической буквы «Г» нет в латинском алфавите, а в кириллическом нет латинской буквы «G». «М»? В честь Грегора нашего Менделя? Нет, не «М». Предупреждение: вопрос шуточный, и ни один поисковик не даст вам правильного ответа. А правильный ответ вот такой – буква «Х»! Почему? Да потому что такую форму приобретают во время деления клетки хромосомы – структуры, хранящие наследственную информацию. Каждая хромосома представляет собой одну молекулу ДНК[5]. У каждого биологического вида в норме должно быть строго определенное число хромосом. У человека их сорок шесть. Набор хромосом называется кариотипом. Также кариотипом называется совокупность признаков полного набора хромосом данного организма. Обратите внимание – совокупность признаков полного набора хромосом, а не совокупность признаков организма, определяемая этим набором хромосом. Совокупность внешних и внутренних признаков организма называется фенотипом. А совокупность всех генов организма называется генотипом. Проще говоря – генотип выглядит как кариотип и определяет фенотип. Обратите внимание на то, что все названия «типов» в этой фразе расположены в алфавитном порядке – генотип, кариотип, фенотип. Это поможет вам правильно запомнить последовательность. Свое звучное название хромосомы получили благодаря своей способности связывать ряд красителей, используемых для приготовления «микроскопических» препаратов, проще говоря – за способность к окрашиванию. «Хромосома» в переводе с греческого означает «окрашенное тело». Неизвестно, кому именно из ученых принадлежит честь первооткрывателя хромосом. На это звание претендовала добрая дюжина биологов, но в конце концов первооткрывателем стал считаться немецкий биолог Вальтер Флемминг, основатель цитогенетики, или «клеточной» генетики (греческое «цитос» означает «клетка»), который собрал все известные на то время сведения о хромосомах, систематизировал их и изложил в своем труде ««Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung», изданном в Лейпциге в 1882 году. Флемминг не был генетиком, да и не мог им быть, поскольку никакой генетики в то время не существовало. Флемминг был цитологом, изучал живые клетки со всем их содержимым, в том числе и с хромосомами, которые можно было увидеть в микроскоп на стадиях профазы, метафазы или анафазы митоза. Профаза… Метафаза… Анафаза… Митоз… Столько непонятных слов разом. Давайте разбираться. Митоз, или непрямое деление – это наиболее распространенный способ воспроизводства эукариотических (имеющих ядро) клеток. Биологическое значение митоза состоит в строго одинаковом распределении хромосом между дочерними клетками, что обеспечивает их генетическую идентичность и позволяет сохранять преемственность в ряду клеточных поколений. Митоз Промежуточная между двумя делениями фаза называется интерфазой (см. рисунок). В интерфазе клетка увеличивает свою массу и удваивает хромосомный набор, готовясь к предстоящему делению. В интерфазе хромосомы находятся в клеточном ядре в виде тонких нитей и неразличимы в микроскоп. В микроскоп можно увидеть только само ядро. Когда подготовка заканчивается, настает время делиться. Настает время митоза. Первая фаза митоза – профаза – является наиболее продолжительной фазой. Начинается она с того, что нити-хромосомы утолщаются и сворачиваются в спираль. Хромосомы удвоились, но пока что они соединены попарно перемычками, называемыми центромерами. Ядерная мембрана исчезает. Хромосомы вырываются из ядра на свободу и рассредоточиваются по всей клетке. Сдвоенные хромосомы, тонкие нити которых скручены в относительно толстую спираль, видны в микроскоп. Они имеют вид буквы «Х» с перемычкой-центромерой посередине. В клетке есть парные органеллы (клеточные органы) называемые центриолями. Центриоли участвуют в делении клетки. Они представляют собой цилиндрическое образование, состоящее из девяти пучков микроскопических трубочек. В интерфазе центриоли располагаются в центре клетки (потому у них и название такое). В конце профазы центриоли расходятся из центра клетки в противоположные стороны, образуя два полюса.