•рак-ошибка формообразования
| Вид материала | Документы |
- Ирпенская буквица, 1004.26kb.
- Рекомендации по квалификации ошибок Грамматическая ошибка, 169.05kb.
- Колоректальный рак, 145.42kb.
- Колоректальный рак в генезе острой хирургической патологии органов брюшной полости, 36.52kb.
- Классификация ошибок при проверке экзаменационных работ по русскому языку Грамматическая, 173.04kb.
- Сочинение размышление: Каким должен быть учитель?, 46.72kb.
- Современные аспекты онкологии и возможности применения продуктов витамакс при злокачественных, 305.75kb.
- Грамматическая ошибка, 163.52kb.
- Классификация ошибок, 93.06kb.
- Рак молочной железы: вопросы-ответы, 70.08kb.
Мутации как естественное проявление "игры жизни"
•Продвижение науки вперед часто происходит тогда, когда перед нами раскрывается неведомая доселе сторона вещей, что обусловлено не столько применением какого-то нового метода, сколько рассмотрением объектов под другим углом зрения".
Ф. Якоб.
1 Сплайсинг и редактирование
Задумаемся над некоторыми вроде бы простыми вопросами. Например, случайно ли в состав все трех стоп-кодонов входит аденин? Нет, не случайно. Химические соединения, являющиеся буквами генетического кода, неоднозначны: так, аденин - составляющая коферментов и аденозин-фосфорных кислот, превращения которых являются основой энергетического обмена внутри клетки. Здесь срабатывает закон минимума диссипации энергии: очевидно, изменение содержания стоп-кодонов энергетически легкодоступно, что делает их "резервом" для осуществления информационных, а, следовательно, и обменных превращений.
В состав аденина кислород не входит, а это значит, что он, в отличие от иных - кислородосодержащих оснований, может быть результатом абиогенного синтеза. Образуется при протекающей в восстановительной среде поликонденсации пяти молекул синильной кислоты, для других оснований необходима окислительная фаза. Очевидно, это составляющая самой древней части генетического кода.
Если учесть, что особенностью раковой ткани является синтез органических веществ без участия кислорода, то можно предположить, что ее химизм обеспечивают информационные превращения, прежде всего - аденинсодер-жащих кодонов. [80]
Буквы генетического кода представляют собой нуклеоти-ды (нуклеодифосфаты), состоящие из азотистого основания, обычно пуринового или пиримидинового, углевода рибозы (в РНК) или дезоксирибозы (в ДНК) и одного или нескольких остатков фосфорной кислоты.
Пурины - аденин, гуанин.
Пиримидины - цитозин, урацил, тимин - при воздействии ультрафиолетовыми лучами, а возможно, и иным энергетическим фактором, дают димеры: цитозин-цитозин, тимин-тимин, цитозин-тимин. Чаще всего возникают димеры тимина, соединенные через атомы углерода, они и наиболее стойкие. Такие мутации становятся причиной гибели кишечной палочки, если она содержится в темноте. На свету они расщепляются, и структура ДНК восстанавливается, происходит световая реактивация.
Образование димеров - единственный известный на сегодня механизм захвата энергии из внешней среды и передачи ее на гуанин, по энергетическим возможностям близкий к аденину, а оттуда на цитозин. Очевидно, и здесь мы сталкиваемся с самым древним механизмом обеспечения какого-то жизненного процесса.
Повреждения, причиной которых являются различные факторы (химические вещества, ионизация), исправляются в результате темновой фазы репарации, происходящей в пять этапов. Известно около десяти наследственных заболеваний, связанных с мутациями в генах, ответственных за ферменты именно темновой реакции на каком-то ее этапе: пигментная ксеродерма, синдром Луи Бара - прогрессирующая атаксия с нарушением координации движений, синдром Блума - гипофизарная карликовость в сочетании с аномалиями телосложения...
Как видим, то, что вроде должно устраняться с -помощью энергетически легкодоступного фактора, в случае "сбоя" в информационных процессах чревато весьма ощутимыми последствиями для человеческого здоровья.
Если по бокам димера тимина окажутся два соседних нуклеотида, способные взаимодействовать, то могут образоваться варианты генетических кодов, дающих белок с [81] совершенно иными свойствами. Подобные случаи в природе встречаются так часто, что поставлена под сомнение унифицированность генетического кода, еще недавно считавшегося единым для всех живых организмов. Вопрос, как нам кажется, нужно ставить иначе, но об этом чуть позже.
Невырезанные димеры в ДНК грозят осложнениями точности передачи генетической информации. Зато на РНК они выполняют необходимую функцию: по ним удаляются интроны во время так называемого альтернативного сплайсинга, когда на матрице одной и той же ДНК синтезируется множество самых различных РНК. Сплайсинг в переводе с английского означает "сращивать". Сращиваются кодирующие участки РНК после выщепления разделяющих их интронных областей. Этот достаточно масштабный процесс сообщает клетке дополнительную генетическую гибкость, ибо сплайсинг одного и того же первичного транскрипта, осуществляемый разными способами, может привести к образованию нескольких отличных друг от друга молекул 1РНК, кодирующих разные белки. При этом как бы расщепляются потенциальные возможности гена, ибо в меру развития клетки та же последовательность ДНК направляет синтез разных белков.
Вообще же сплайсингом называется удаление ненужных фенотипу участков с последующим сращиванием фрагментов 1РНК, представляющих собой копии экзонов ДНК, возможно, измененные в самом процессе.
Вторым гибким способом адаптации биосистемы к изменениям окружающей среды является редактирование мРНК. Это уже почти независимый от ДНК процесс, где азотистые основания кодонов подвергаются сложным химическим модификациям. Все это сопровождается синтезом белков с новыми свойствами, в структуре которых отдельные аминокислоты будут определяться триплетами мРНК, отсутствующими в нуклеотидной последовательности ДНК. Этот процесс индуцируется условиями окружающей среды.
Обеспечением всех происходящих на мРНК процессов является комплементарное каталитическое взаимодействие так называемых малых ядерных РНК (мяРНК) с нуклеотидными [82] предшественниками 1РНК. Специализированные белки блокируют либо, наоборот, активируют вырезание соответствующих интронных участков, и при этом экзоны. сшиваются в разных комбинациях: одна и та же нуклеотидная последовательность, становясь экзоном в одном случае, при других обстоятельствах способна вести себя как интрон.
И сплайсинг, и редактирование могут осуществляться даже без каталитической активности белков - только взаимодействием пространственно измененных участков трехмерной структуры 1РНК с последующим "выпетливанием" полинуклеотидных фрагментов и выще-плением с первичного РНК-транскрипта.
Не нужно большого количества генов, чтобы кодировать белки с разными свойствами, - нужен механизм экзон-интронной регуляции, когда одни и те же носители наследственной информации оказываются зависимыми от физико-химических обстоятельств, они же по-разному формируются для последующей трансляции по той простой причине, что нет двух единиц времени, на которые одинаково откликается материя.
Не количеством сильна информация, а качеством, смысловым содержанием, и в передаче генетической информации эволюционный прогресс достигается через усовершенствование механизма самоорганизации системы. Наше преимущество перед бактерией, как правило, лишенной ин-тронов, в том, что мы имеем огромную "архивную базу" для выбора различных вариантов, куда интегрирован и опыт той же бактерии, добытый на заре развития жизни. Именно неактивная вроде бы генетическая информация является потенциалом того непостижимого многообразия селективных возможностей, которое представляет собой эукариотическая клетка. Но мы не зря ищем ответы на многие вопросы в изучении лежащих у подножия эволюционной пирамиды существ: там сформированные на ранних стадиях механизмы обеспечения жизни еще не интегрированы в общую схему и выражены четче.
Итак, ДНК тяготеет к вечности; РНК, этот снимаемый с какого-то ее участка "рабочий чертеж", - распадается, вы[83] полнив свою миссию. Но сколько творчества, какой простор для самоорганизации отпущен на короткое время ее жизни!
И сколько риска! Первичные РНК-транскрипты должны до выхода из ядра пройти полный сплайсинг, а если по какой-либо причине они его не проходят - что тогда? Фермент полимераза останавливается перед димерами тимина, которые должны быть вырезаны. А если он преодолеет препятствие благодаря тому, что соседние кодоны прореагируют между собой, создав мостик, по которому могут осуществляться взаимодействия? Если один кодон при ошибке транскрипции окажется замененным другим? Как это отразится на организме?
Вот примеры.
Сплайсинг РНК имеет свои "контрольные пункты". Но они могут быть обойдены из-за вклинивания вирусного генетического материала, как это и наблюдается в случае со СПИДом. При этом в молекуле мРНК образуется так называемая шпилечная петля. И вот как это наблюдается в медицинской практике. Приступ удушья у астматиков подавляется албутеролом, взаимодействующим с рецептором адреналина. Вроде бы правильно! Но существует еще один механизм (сколько их, до сих пор не известных?) - обеспечение генетической неповторимости - сингулярный нуклеотидный полиморфизм, фактор СНП. Это - когда гены одного и того же признака существуют в разных вариантах - аллелях. Пример - группы крови, когда в одном и том же участке (локусе) находятся варианты генов А, В или О. По сути, это изменение буквы генетического кода без последствий для здоровья. Казалось бы. Но в силу фактора СНП люди с последовательностью букв в одном из генов ТСТСС (ТЦТЦЦ) на албутерол не реагируют, а если концевой цитозин заменен на гуанин, то реакция будет частичной, для тех же, у кого концевой тимин вместо цитозина, - лекарство токсично!
Мы опять-таки сталкиваемся с удивительной неоднозначностью одного и того же явления: специальные белки - транскрипционные факторы, регулирующие активность генома, связываемые с его регуляторными участками (промоторами), по-разному проявляют себя в разных тканях. [84]
Не хватит всей истории человечества, чтобы осознать эти тонкости, нам необходимо, отказавшись от редукционизма, выходить на общие закономерности: "образцы", "рисунки", "точки бифуркации", "паттерны", алгоритмы, каналы информации бесконечно разнообразных процессов, происходящих ежесекундно в каждый клетке. Уже древним философам было известно, что в нашем мире "все течет и все изменяется". Поэтому любое "копание вглубь" имеет смысл только тогда, когда оно выводит на общие "водоносные горизонты".
Вот под таким углом зрения мы и приступим к анализу химизма процессов, происходящих в носителях генетической информации.
2. Сколько букв в генетическом коде?
Этот вопрос предваряет другой: случайно ли спариваются между собой азотистые основания, образуя так называемые канонические пары?
Аденин-тимин
Гуанин-цитозин
Конечно же, не случайно! Генетический код не произволен, как произвольны символы латинского алфавита, либо кириллицы, где на первом месте - графическое изображение головы быка - алефа на арабском языке. Если бы такой код возник на земле, где жили праславянские племена, то это было бы "г" - от слова "говядо". А в генетическом коде четко проступают закономерности.
Для включения очередной буквы в строящуюся полимерную молекулу нуклеиновой кислоты необходимо предварительное расщепление молекулы соответствующего этой букве нуклеозидтрифосфата - по той простой причине, что ни один процесс не может осуществиться как без информационного толчка, так и без энергетического обеспечения. Нуклеозидтрифосфаты - высокоэнергетические производные азотистых оснований - энергетическая "валюта" клетки, используемая практически во всех обменных [85] реакциях. Здесь "кладезем" является аденозинтрифосфат (АТР), обеспечивающий энергией практически все биохимические процессы; приближается к нему по атомарному фенотипу и гуанозинтрифосфат (ГТР).
Итак, в канонических парах датчиком энергии, пусть даже небольшой (возникает путем образования водородных связей, формирующихся благодаря стерическо-му соответствию у пар), являются пурины: аденин и гуанин; фосфаты же трех других азотистых оснований -просто мономеры при синтезе нуклеиновых кислот. По этой причине именно аденин так широко используется в генетическом коде.
Что происходит с ними при химических превращениях, без которых жизнь не может обойтись?
Прежде всего, это так называемая апуринизация: однонит-ковый разрыв Ы-гликозидной связи между пуриновым основанием (аденин, гуанин) и дезоксирибозой. Пиримидины тоже могут отщепляться, но скорость такого процесса на два порядка ниже. Отличие продуктов репликации (ДНК) от продуктов транскрипции (РНК) в том, что в сахаре, содержащемся в цепочке нуклеотидов, одна из гидроксильных групп заменена атомом водорода, а вместо урацила - тимин, где один из атомов водорода заменен метальной группой. Считается, что в общей цепочке нуклеотидных превращений эти различия незначительны.
Причиной апуринизации является ионизирующее излучение, изменение рН, повышение температуры и прочие неблагоприятные факторы окружающей среды. При этом упускается из виду основной "канал информации", детерминирующий все клеточные процессы, - элементарный закон минимума диссипации энергии. Направление процесса - от аденина и гуанина, как наиболее энергетических, на другие основания.
Одним из самых важных для жизни процессов является дезаминирование - отщепление аминогруппы (-МН2) из молекулы органических соединений. Особое значение имеет для метаболизма аминокислот, а, следовательно, и белков. [86]
Основной путь дезаминирования в тканях животных, растений и микроорганизмов - окислительное дезаминирование с образованием Х-кетокислот и аммиака, который выводится из организма. Примечательно, что из оксидаз самой высокой активностью обладает глутаминдегидрогиназа -кофермент, играющий крайне важную роль в так называемом непрямом дезаминировании большинства аминокислот. При этом образуется глутаминовая кислота, которая затем дезаминируется при участии фермента глутаминдегидрогиназы. Это - целая цепь сложных превращений, являющихся обязательной составляющей восстановительных процессов, которым предшествует нейтрализация отживших либо поврежденных белков. Естественно, подлежит дезаминированию и ДНК, репарация которой происходит постоянно. И вот что при этом происходит с буквами генетического кода:
Аденин правращается в гипоксантин, образующий две водородные связи с цитозином.
Гуанин превращается в ксантин, образующий водородные связи с тимином.
При дезаминировании цитозина образуется урацил.
Тимин - единственный - в ДНК не дезаминируется. Почему? Истощился запас свободной энергии, могущей быть использованной для полезной работы? Какой смысл в том, что именно тимин замыкает цепь превращений? Необходимо поставить жесткую точку, сохраняя информацию для Вечности? Тогда понятно, что в РНК тимин должен быть заменен на нечто, легко поддающееся и дезаминированию, и другим необходимым для жизни химическим превращениям. И это - урацил.
Обращаем внимание на еще один крайне интересный момент. В процессе поиска способов борьбы с возбудителем СПИДа было высказано предположение о существовании вирусного белка, подавляющего антивирусную активность клетки, и в 2002 году он был найден группой ученых из Медицинского университета в Пенсильвании. Этот белок, получивший название АРОВЕСЗО, участвует в хими[87] ческих модификациях РНК и ДНК. Клонирование соответствующего ему гена и перенос в клетке кишечной палочки резко повысили уровень мутаций в бактериальной ДНК, связанных исключительно с заменами гуанина на аденин.
Оказалось, что белок АРОВЕСЗО ответственен за удаление аминной группы (дезаминирование) на цитозине, который превращается в урацил. ДНК в такой роли он не свойствен, а потому при репликации в бактериальную дочернюю нить включается комплементарный ему аденин - вместо гуанина (комплементарен исходному цитозину). Нуклеотидная пара С-О заменяет на У-А; совершенно естественная мутация, ибо она энергетически легко допустима.
При таких возможностях взаимодействия между нуклео-тидами - это нормальная реакция на изменения внешней и внутренней среды. Мутации - информационные схемы, в которые выливаются такие взаимодействия: они могут быть мгновенно проходящим "рабочим моментом", но пути метаболического их осуществления способны и закрепиться, потянув за собой другие изменения. Тогда возникает вопрос о накоплении мутаций, об их наследовании в последующих поколениях. Ведь постоянное преобразование генетической информации - норма. В процессе снятия рабочих копий с генома не может быть ничего статичного: задаются направления развития, возможности комплексно согласованного роста.
Первая нить ДНК дезаминируется, мутаций сразу же образуется множество, и они осуществляются на дочерней нити двойной спирали. Именно так клетка спасает себя от инфицирования ретровирусами, пуская в ход "оружие массового мутирования". В тонкости этого процесса мы вдаваться не будем - важно, что он существует в природе: отлаженный механизм переброса энергии туда, где в этом есть необходимость, через замену нейтрального нуклеотида на урацил, способный спариваться с аденином.
Вот мы и вышли на движущую силу природы, которая заставляет нас иначе, чем это принято, оценить роль мутаций в природе. Если такой механизм энергетически очевиден, то [88] можно не сомневаться - в живой системе он запускается в любой экстремальной ситуации. Мутации, сколь ни странно это звучит, - совершенно естественный для клетки способ избежать гибели, и только ограниченные человеческие знания заставляют выхватывать ту или иную волну на поверхности океана жизни, считая ее застывшей. Нам не попадались данные о том, что представляет собой РНК-зависимая транскриптаза, воссоздающая индивидуальные кольцевые повторы ДНК-теломеры, но нетрудно догадаться, что там должен быть урацил.
Везде, где нужна стабильность передаваемой в вечность генетической информации, в действие вводится тимин; там, где нужна пластичность, игра химических превращений, порожденная неповторимостью взаимодействующего с жизнью времени, - урацил.
Как ни странно, но первыми обратили внимание на эту закономерность психиатры. Исследуя механизм психических расстройств на уровне генетического кода, они натолкнулись на замену тимина на цитозин (так называемый Т/С полиморфизм) в положении 102 гена ШТК2А, расположенного в тринадцатой хромосоме, а цитозин, как известно, легко трансформируется в урацил. Эта нуклеотидная замена не служит причиной замены аминокислот в соответствующем белке, и все-таки мутантный аллель дает о себе знать нарушением химизма процессов. По крайней мере, именно с таким явлением психиатры увязывают асоциальное поведение алкоголиков и наследственную склонность к шизофрении.
Итак, можно ли утверждать, что стоп-кодоны (все начинаются с тимина!) ТАА, ТАГ, ТГА - в ДНК идентичны стоп-кодонам УАА, УАГ и УГА в РНК? Конечно, нет! Первая группа, повторяем, обеспечивает стабильность передаваемой в вечность информации, вторая - игру химических превращений, порожденную вечно неповторимыми мгновениями нашей жизни, необходимостью адекватной на них реакции. [89]
Так, может, отказавшись от традиции, стоит признать, что в генетическом алфавите не четыре, а пять букв? Впрочем, такую постановку вопроса уже можно считать устаревшей.
3. Еще один способ образования мутаций
Основатель науки о поведении животных - этологии -Конрад Лоренц сформулировал понятие об импритинге -формировании устойчивых к влиянию окружающей среды стереотипов поведения. Оно оказалось очень удобным в оценке геномных характеристик.
Речь идет об обратимом изменении активности генов, обусловленном процессом метилирования/деметилирова-ния ДНК, переводе носителей конкретной информации в доминантное либо рецессивное состояние, о временных модификациях нуклеотидных последовательностей без нарушения их кодирующей способности. При этом катализируемая ферментом ДНК-метилтрансферазой метильная группа присоединяется к цитозину в двухнитевой ДНК. О возможности этого процесса можно судить по таким опытам.
Если у мышей разрушить ген ДНК-метилтрансферазы, то развитие эмбриона приостанавливается на самых ранних стадиях. И в то же время наличие промежуточного при метилировании продукта ДНК 5-метилцитозина угрожает спонтанным дезаминированием и превращением в тимин. Тогда при репликации ДНК против тимина станет аденин, и пара гуанин-цитозин в два шага превратится в пару аде-нин-тимин. Кодирующая последовательность нуклеотидов изменяется, а с этим могут нарушиться и функции белка. Геометрия распределения метилированных оснований сохраняется в процессе клеточных делений.
Метилирование избирательно: его островки встречаются, как правило, в начале гена, часто в области промотора. С такими островками связываются регуляторные белки, обеспечивающие активную трансформацию гена. Функции процесса многообразны. Это и сопротивление взаимодействию регуляторных белков с промотором, а в некоторых [90] случаях, как показали исследования, и активация гена, в частности, в интроне.
В. Гвоздев (Московский государственный университет имени М. Ломоносова) называет такой способ регуляции активности генов "рискованным". "Ведь наличие в ДНК 5-метилцитозина (тС) опасно для организма, поскольку он может спонтанно дезаминироваться, превращаясь в тимин. В таком случае при репликации ДНК против Т встанет аденин, и в результате О-С-пара превратиться в А-Т-пару. Таким образом, изменится кодирующая последовательность нуклеотидов в гене, и функции белка, за которые ответственен этот ген, могут быть нарушены. Другими словами, дезаминирование 5-метилцитозина может привести к мутации, вредной для организма. Если же дезаминируется неметилированный цитозин, то последний превращается в урацил, после чего специальные ферменты репарации устраняют урацил из ДНК и вставляют на их место снова тот же цитозин. Мутации возникают только после дезаминирова-ния Т-С. Тем не менее, несмотря на грозную опасность метилирования, оно сохраняется в эволюции позвоночных... поддерживается естественным отбором", - пишет этот выдающийся генетик.
Что делать! В мире, где, по словам Алишера Навои, в каждом мгновении слиты прошлое и будущее, нет иного пути развития, как постоянный риск. Если бы органические молекулы были симметричны, вряд ли что-либо произошло - в смысле возникновения и развития жизни.
При образовании зиготы отцовский ген может быть неактивен из-за того, что сильнее метилирован либо наоборот: вот в таких случаях и говорят о импритинге, то есть о "следах памяти", сохраняемой при клеточном делении. Если правда - существующие у всех народов легенды о родовом проклятии, то механизмом осуществления этого явления является метилирование. Через него передается информация, вызванная неизбежным при преступлениях стрессом, именно этот механизм должен отбирать родовые психологические характеристики. [91]
Считается, что природа значительной части мутаций в гене р53, имеющем отношение к раковой опухоли, связана именно с метилированием ДНК. Но возникает вопрос: а как те же процессы, где происходит обратимое превращение цитозина в урацил и необратимое в тимин, отражаются на "рабочем чертеже" - РНК? Ведь там - такое "поле свободы" для реакции на текущее мгновение! Двойственное отношение к мутациям понятно. В масштабах вечности они - причина многообразия нашего мира, несомненно, положительное явление, но и вызывают страх, если происходят в короткой земной жизни. Огромный процесс генетических ошибок летален, либо очень усложняют функционирование организма. В силу антропоморфности наших взглядов мы не можем видеть добра от мутаций. Но как можно отделить образовавшийся после бурного ливня ручей от реки, в которую он несет свои воды, а реку - от моря?
Ведь и на РНК, и на ДНК - одни и те же нуклеотиды, вступающие в одни и те же реакции. РНК принимает от ДНК информацию, но и сама успевает ей что-то дать через взаимодополняющие химические превращения в конкретный отрезок времени.
В РНК, как мы видели, заложен пластичный механизм самоорганизации. Она всегда та же в смысле выполнения функции. И всегда иная, ибо непонятный нам фактор времени проявляется через вещество химических превращений.
Это свойственно и ДНК, но там есть "болт" - неметилированный тимин, ставящий точки, где это нужно, в порожденных мгновением реакциях, откладывая принесенную информацию в интроны, чтобы она прошла испытание вечностью.
А если "точка" не будет поставлена - что тогда? Если разрыв между вечностью и мгновением преодолен не будет?
В поисках ответа на этот вопрос остановимся еще на одном явлении, завершив ход наших мыслей знаковой для нынешнего этапа развития науки цитатой:
"Есть совершенно удивительные реакции, когда клетки "стараются" спасти свою жизнь ценой введения новых мутаций. Исследование процессов репарации идет полным ходом, новые и новые принципы, а не только отдельные детали [92] уже известного "костяка" реакций, появляются в печати каждый год", - пишет В. Н. Сойфер, представляющий университет им. Джорджа Мейсона (Фейрфакс) в статье "Репарация генетических повреждений", напечатанной в "Соросовском образовательном журнале (1997 г.). Биология".
4. Считывание со сдвигом рамки
Генетический код не универсален, как это считалось еще недавно: в последнее время обнаружено 16 отклонений от него - девиантных кодов. Первое сообщение о таком явлении появилось в 60-е годы прошлого столетия, когда в нескольких лабораториях мира было сделано удивительное открытие: в одноклеточном существе парамеции, известном еще как инфузория-туфелька, только один стоп-кодон УАГ выполняет свою функцию, два других УГА и ЦАА -работают как глутаминовые. Доступность превращения первых во вторые обусловлена энергетикой химических процессов. Потом научный мир заинтересовался характером записи генетической информации в "силовых станциях" жизни - митохондриях.
Все это породило стремление понять функциональную роль переосмысленных кодонов, и особый интерес к способу считывания генетической информации.
Гены бывают так записаны, что один и тот же участок цепи ДНК, кодирующий белок, может считываться со сдвигом фазы: плюс либо минус один нуклеотид. Возможен даже "захват" нуклеотида с другой цепи при образовании петли, и тогда тоже может получиться сдвиг. В таких случаях один и тот же структурный ген способен кодировать до шести белков: такие участки названы перекрывающимися. Естественно, какие-то "каналы информации" регулируют этот процесс, изначально накладывая запрет на некоторые варианты, ведь при таких сдвигах рамки считывания непременно образуются стоп-кодоны. Как показали исследования перекрытия генов В и Е в геноме вируса бактерии [93] ФХ174, случается, что терминирующих триплетов не возникает, ибо один ген целиком лежит внутри другого.
Какая информация скрыта в таких перекрывающихся участках, какие мутации происходят? Кстати, вирус ОХНУ, на котором изучено это явление, вызывает болезни печени и весьма распространенную форму рака.
Появились выражения "кодонные семейства", "молчащие мутации" со специфическим типом нуклеотидных замен. Расчеты показали, что в структуре такого перекрытия использовано вдвое больше минимально возможного числа кодонов, чем это нужно для записи аминокислотной последовательности генов, которые не являются перекрывающимися.
Самое интересное, что перекрытия могут возникать только при условии полного набора кодонов: отсутствие хотя бы одного из 64 делает такое образование невозможным. Опять мы сталкиваемся с "полем возможностей", необходимым для выбора вариантов. Математический анализ потенциала генетического кода, осуществленный Н. Н. Козловым (ИПМ им. М. В. Келдыша РАН), показал ее бесконечность. Из этого следует вывод, что при любой последовательности аминокислот любая из альтернативных рамок считывания при парном перекрывании генов может дать каноническую открытую рамку, при которой белки образовываться будут. Любые! И даже самые "экзотические". Да иначе и быть не может, если учесть, что белки, например, сердечной мышцы пятилетнего ребенка -совсем не такие, как у новорожденного: время оставляет на них свой след, придавая им иные характеристики. Потенциал непрерывных, следующих за каждой секундой аминокислотных преобразований могут ограничивать только стоп-кодоны, но и они, по крайней мере, два из них, участвуют в калейдоскопе клеточных событий, будучи соседними.
Пары стоящих рядом смысловых кодонов, при чтении которых со сдвигом вправо либо влево получается терминирующий кодон, называются запретными. Но и сами стоп-кодоны, по крайней мере, два из них, легко пре[94]вращаются в смысловые, прежде всего в глутаминовый. Почему так? Не сталкиваемся ли мы здесь с древней системой обновления клетки, перешедшей в рецессивное состояние и способной при определенных обстоятельствах пробуждаться к жизни? Реликтовым механизмом, необходимым для процесса жизни, интегрированным в более тонкие его проявления?.. К этому вопросу мы еще вернемся.
При таких возможностях все-таки существуют энергетически запретные пары аминокислот, и код, который до недавнего времени называли универсальным, дает наибольшее их количество, потому и наиболее распространен на нашей планете. Ведь нецелесообразно допускать стихийную экспрессию генов, прочитанных со сдвигом рамки считывания, поскольку при этом ресурсы клетки могут быть растрачены на синтез белков, имеющих бессмысленную аминокислотную последовательность. Из этого сделан ряд выводов, отдающих надлежащее представлениям об эволюции, как о некогда свершившемся процессе, расставившим все живое по ранжирам. Но это не так: эволюция совершается непрерывно, наш мир и сейчас пребывает в состоянии творения, ибо непрерывен ход времени, оставляющий свой след на всех проявлениях жизни. И проявляется она в приспособлении к внешнему и внутреннему миру, обогащающем наследственный аппарат всех земных порождений.
Пути самые разнообразные: от непосредственной реакции на факторы окружающей среды и вырабатывания соответствующих механизмов (типичным, хотя и не единственным, примером являются реакции метилирования и аминирования/дезаминирования) ДНК до непосредственного привнесения в вещество наследственности целых кассет генов, осуществляемое через вирусные интервенции. Вирусы, движимые заложенным во все живое стремлением занять свое место в эволюционном развитии, являются, в свою очередь, мощнейшим его механизмом. Но для нас важно другое. Если обнаружен механизм встраивания в белки аминокислот с новыми структурными, физическими и [95] химическими свойствами, то не пора ли изменить понятие о мутациях как о чем-то экстраординарном, угрожающем течению жизненных процессов?
Да, случается и так. Например, в 1964 году выяснилось, что замена в гене аденина на тимин, приводящая к изменению глутамина на валин, порождает тяжелейшее заболевание -серповидноклеточную анемию. Пока что для науки остается загадкой биологический смысл использования в кодировке именно того, а не иного кодон-символа. Но ведь он есть!
Ведь даже в случае с серповидноклеточной анемией прослеживается некая предопределенность: болезнь возникает у жителей болотистых местностей, неправильная форма эритроцитов делает их малодоступными для малярийного плазмодия. Это - этап эволюционных приспособлений, "канал информации", в который изначально загнаны пока еще патологические изменения человеческого организма. Аналогичное явление - голубоватая кровь жителей высокогорных районов Анд, как следствие недостатка в атмосфере кислорода, - особенность, передающаяся по наследству. Ничто в природе не носит случайного характера, и вопрос можно ставить о поиске механизма сбоя на пути естественного развития событий, и, что еще важнее, - сигнала всего организма, реагирующего на этот сбой.
Естественно, непрерывная игра нуклеотидных превращений уравновешивается иными явлениями, снижающими частоту выхода мутаций на фенотип: вырожденностью кода, ге-терозиготностью генотипа, частыми повторами генов на нити ДНК, сложными репаративными процессами; предохраняющим от действия расщепляющих рестриктаз присоединением метальной группы к нуклеотидам (метилирование ДНК) под действием фермента метилазы - процесс, слабеющий с возрастом. Можно не сомневаться, что количество таких факторов будет возрастать с новыми открытиями. Возможно, некоторые проявят себя как противостоящие развитию опухолей, так оно и есть, но это - опять-таки частный случай естественного хода природных процессов, где все построено на взаимоуравновешении и взаимопротивостоянии. [96]
Чтение нуклеотидов со сдвигом рамки - а их, по расчетам Козлова, не менее пяти типов, - по логике, должно сопровождаться потерей теломеров при делении клеток либо их достраиванием. Здесь и следует искать осуществляемый на уровне химических взаимодействий механизм приведения белков в соответствие с ходом времени при репарационных процессах. А к ним, в конечном итоге, сводится любое проявление жизнедеятельности.
По подсчетам Козлова, двухточечная мутация, какого бы рода она ни была, позволяет превратить любой триплет во что угодно. Сколь бы исключительным не было такое событие, но оно подпадает под действие закона больших чисел и заставляет предположить, что такие превращения осуществляются постоянно.
Итак, как видим, мутации - совершенно естественное явление, реакция на изменение внешней и внутренней среды, механизмом которой является активация нужных генов. Придет время, и наука откажется от представлений о гене и буквах генетического кода как о чем-то стабильном, где любое отклонение от нормы, которое удается уловить, - угроза патологии.
Науке уже не раз приходилось испытывать, мягко говоря, шок, меняя устоявшиеся представления. Подобное было, когда Клод Бернар сформулировал понятие о гомеостазе, отказавшись от представлений о стабильности физиологических процессов, и тогда стало непонятно, когда же человек здоров, и можно ли втиснуть представления об оптимуме в какие-то параметры. Невозможно! Жизнь - это балансирование на грани между синтезом и распадом материи, прошлым и будущим во времени, смертью и бессмертием, неповторимостью и унифицированностью - и ничем другим быть не может.
Так же и с генетическим кодом: не о четырех (а почему, не пяти?) его буквах говорить нужно, а об информационном содержании, в которое выливаются непрерывные химические превращения пуринов и пиримидинов, обу[96]словленные распределением свободной энергии в направлении от аденина к тимину.
Недезаминируемый тимин - жесткая точка в этом процессе. В каких случаях ее ставит природа? Всегда ли она целесообразна? А если не всегда, то что происходит?
Этот, в разных вариациях возникающий вопрос снова оставим открытым на пути своих размышлений, ибо нам еще надлежит осмыслить многое. Пока что ставим под сомнение привычные представления о клеточных процессах, как о чем-то стандартном, отлитом в четкую схему: она существует только в человеческом представлении, порожденном ограниченностью познания. Отказываемся от представлений о мутациях как о причине раковой опухоли: если клетка пытается спасти себя выплеском скрытых возможностей, то не перспективнее ли поискать информационную причину, заставляющую живую систему пускать в ход "оружие массового мутирования", поискать естественный фактор, на который организм, неадекватно себя оценивая, вполне адекватно реагирует, принимая за "свое" то, что его может погубить. В пространстве ничего экстраординарного не происходит, если мутирование - естественная реакция на ход времени и природа знает так много способов его осуществления. Нынче большинство ученых склоняются к тому, что раковая опухоль, способная самоорганизовываться и самоподдерживаться за пределами системы, на которой паразитирует (при наличии достаточного количества питательных веществ), - одно из проявлений жизни. Но почему же она так опасна? Не потому ли, что при переходе от вечности к ситуации "здесь и теперь" вместо нормального взаимопроникновения противоположностей произошло их временное расхождение? В чем это выразилось?
Череда событий, обусловленная течением времени, воплощающихся в материю посредством информации, так или иначе обусловлена необходимостью самосохранения живой системы, в частности, клетки. И здесь нам придется поразмышлять над вечным вопросом о том, почему на яр[98]марке за дохлую лошадь не дадут столько же, сколько за живую, хоть и та и другая состоит из одних и тех же органических молекул. Это животное относится, как известно, к высокоорганизованным системам. Именно такие страдают от рака, ибо хуже приспособлены к регенерации поврежденных органов в силу своей сложности. Почему? В биологии развития, как заметил Френсис Крик, - самой загадочной области науки, наше незнание гораздо поразительнее наших знаний.
В области незнания лежит и фактор, который делает нечто, "задуманное" по единому плану на первых этапах развития зиготы, - чем-то совершенно неповторимым в его завершенном виде, с отклонениями от вечно ускользающей "нормы", которую можно установить для конкурса красоты, но не для жизни. Этот неопровержимый факт предполагает существование в организме какого-то общего информационного поля, с которым постоянно сверяется дискретность, преодолеваемая в процессе создания ансамбля признаков. Акцент на экспериментальный критерий, свойственный современной науке, породил легкость, с которой употребляются термины без их осмысления. Вот так у нас говорят об активировании генов, ибо именно в активировании суть проявлений жизни. Но - каким образом происходит это активирование, и чем в этом плане отличается слон от мухи? Современная биология только вступает в эпоху изучения информационных взаимодействий, ибо одними вещественными превращениями объяснить феномен жизни невозможно. Метаболические процессы слишком энергоемки, слишком громоздки: проще передать информацию через изменение геометрической конфигурации того самого гена, той самой молекулы, той самой ее составляющей. Следствием изменения конфигурации обязательно будут новые химические взаимодействия, но - уже как вторичный фактор. И все-таки чего-то недостает!
Мы считаем, что носителями информации, прежде всего, являются сверхслабые электромагнитные поля, создаваемые непрерывным движением составляющих атомов. Без постулирования понятия биополя развитие биологии жизни [99] невозможно, как в свое время оказалось невозможным развитие математики без числа пи. Очевидно, колебания биополя обусловлены колебательными химическими реакциями, черпающими энергию из среды, по которой распространяются. Пример - волны А. Жаботинского и А. Заикина, сообщение о которых появились в 1959 году. Еще раньше - в 1951 году колебательную химическую реакцию открыл Б. Белоусов, который так и не дожил до признания своего открытия. Позже за это открытие была присуждена Государственная премия, а И. Пригожий - президент Бельгийской королевской академии наук - назвал открытие Белоусова самым выдающимся экспериментом XX столетия.
Идея биологического ритма, неразрывно связанного с особенностями пространственного строения живых клеток, вытекает из теоретических построений Э. Бауэра. Неравновесное состояние живой системы обеспечивается тем, что она ритмически заряжается и спонтанно разряжается в соответствии с функцией, независимо от того, совершена работа или нет. Обобщая исследования того времени, Бауэр называет период выравнивая потенциала заряженной молекулы, пребывающей в свободном состоянии: 10"8-10"7 сек. "Если же молекулы ассоциированы или, тем более, включены в решетку кристалла, так что уже нельзя говорить об отдельных молекулах, то выравнивание возбужденного деформированного состояния будет длиться значительно дольше", - можно прочитать в "Теоретической биологии", изданной в 1935 году.
Мы не будем останавливаться на развитии современных взглядов на природу информационного поля, контролирующего общее развитие организма: это прерогатива других специалистов.
Для нас важен такой аспект.
Реакция Белоусова-Жаботинского открыта благодаря оказавшемуся доступным наблюдению расхождения в ее временных характеристиках. Если бы период изменения цвета в пробирке измерялся сотыми долями секунды или, наоборот, днями, то явление, как справедливо замечает А. Барбараси, осталось бы незамеченным.[100]
Да, химические реакции обозначены временем, дающим о себе знать через механизм их осуществления. Если это диффузия, то скорость волны будет зависеть от температуры, вязкости среды, размеров молекул.
Но жизнь тем и отличается от нежизни, что в ней срабатывает система инициирующих факторов, преодолевающая механическую диффузию. И смысл волновых реакций в том, что в живых системах осуществляются не цепочки биохимических процессов, подобно циклу Кребса, а готовые "блоки" отобранных эволюцией процессов, согласующих все проявление жизни в пространстве и времени. Возможно, информация переносится солитонами, нелинейными устойчивыми локализованными возбуждениями, следующими друг за другом через определенные интервалы времени. Они устойчивы против возмущений среды, неравновесная открытость которой является условием существования жизни. Их изучение - вопрос техники, которая для нас в данном случае не так и важна. Важен факт проявления на уровне химических взаимодействий биогенетического закона: именно блоки определенных, лежащих в основе жизни процессов обеспечивают тот непреложный факт, что отдельные этапы филогенеза повторяют онтогенез. Во взрослом организме они могут выполнять отличную от своей первоначальной функцию, могут "дремать" в глубине генотипа до того времени, когда в них возникнет потребность. Но "прыжок во времени" способен вырвать их из "небытия" либо возвратить в первобытное состояние. Ведь одной из интересных особенностей автоколебательных реакций является их принципиальная обратимость.
В волнах Белоусова-Жаботинского их задний фронт намного отстает на крутизне от переднего фронта, что и движет их вперед. Для "отскока" нужен источник энергии -альтернативный, связанный с экстремальными обстоятельствами, и все-таки он осуществим.
Механизм, творящий структуру волн, непонятен на сегодняшний день, но существует мнение, что в его основе может быть какая-то очень простая химическая реакция, свойственная всем организмам - от амебы до инфузории-ту[101] фельки. Именно обычность, как это часто бывает в науке, и скрывает истинное значение этого процесса.
В последнее время стало понятно, что общая картина клеточных событий еще сложнее, чем это казалось совсем недавно.
5. "Диалог" на разных языках
Этой неотъемлемой составляющей в вечной "игре жизни" наука по-настоящему заинтересовалась недавно, а ведь, по логике вещей, ее "слово" может оказаться решающим во всех случаях. Речь идет о митохондриях - "силовых станциях", обеспечивающих клетку универсальным топливом природы - аденозинтрифосфорной кислотой, имеющей в своих связях много свободной энергии в доступном состоянии для обеспечения самых разнообразных функций.
Митохондрии - относительно автономные органеллы, имеющие собственную генетическую систему, где много отклонений от свойственной ядерному геному нормы. Во-первых, она подчиняется правилу: если два кодона имеют два одинаковых первых нуклеотида, а третьи принадлежат к одному классу (А, Г - пурины, У, Т, Ц - пиримидины), то они кодируют одну и ту же аминокислоту.
Но, пожалуй, самое важное заключается в том, что мито-хондриальный геном кодирует 13 субъединиц комплексов дыхательной цепи, а остальные белки кодирует ядерный геном. Следовательно, в процессе окислительных превращений два генома клеток нашего тела, создавая метаболические пути, ведут между собой непрерывный "диалог", постоянно вступая в химические взаимодействия. Более того, некоторые гены митохондриальной ДНК представлены копиями в ДНК ядерной. Если вспомнить теорию симбиотического происхождения митохондрий, то напрашивается вывод о необратимости эволюционных процессов на нынешнем их этапе, интегрировавших две системы в успешно функционирующее единое целое. [1-2]
Интересно, что системы, представляющие промежуточные формы на пути к образованию митохондрий из низших организмов, сохранились и теперь. Амеба реютуха содержит эмбиосимбиотические бактерии, выполняющие ту же роль, что и митохондрии в клетках эукариот. Это не единственный случай, когда нечто, являющееся в эукариотической клетке "каналом информации", в природе представлено самостоятельным организмом. Митохондриальный геном человека, как остроумно заметил один исследователь этой темы, напоминает университет, в котором "все уменьшено до минимальных размеров, но пока еще никто не уволен". Это правило касается любого связанного с жизнью явления.
Еще одной характеристикой митохондриальной ДНК является особенно активное редактирование в процессе синтеза РНК. Это связано с тем, что скорость эволюции митохондриальной ДНК превышает скорость ядерной в 10-20 раз, что и понятно, если учитывать степень активности протекающих в "силовых станциях" окислительно-восстановительных процессов.
Поскольку митохондрии обеспечивают энергетическую функцию, то любое нарушение в них не проходит бесследно. С ними связывают патологии в обеспечении мышечной ткани кислородом, приводящие к непереносимости физических нагрузок, полинейропатию, летаргические состояния, некоторые виды олигофрении. Такие болезни должны передаваться исключительно по материнской линии (ведь отцовские митохондрии в зиготу не попадают), однако наследование некоторых из них подлежит менделевскому расщеплению, и это опять-таки свидетельствует о том, что митохондриальные процессы пребывают во взаимодействии с ядерными, и здесь очень важна точность обмена информационными сигналами. И практика это подтверждает.
В настоящее время ни одна из теорий старения не игнорирует роль митохондрий, и почти нет сомнений в том, что там находится центр контроля апоптоза. Некоторые белки, участвующие в этом процессе, находят и в раковой опухоли. Не парадокс ли? Ведь канцерогенезу апоптоз не свойственен...
Предлагаем свое объяснение. [103]
Раковая клетка прокладывает путь по "чужим территориям", действуя на здоровые клетки кислородом в активной форме. Его высокая концентрация свойственна и митохондриям: общность функции порождает общие белки.
Что еще особенно интересно: нуклеотиды митохондриальной ДНК не метилируются, а радикалы кислорода служат причиной дезаминирования цитозина и образования пар А-Т. Напрашивается вывод: раковая клетка не столько уничтожает здоровые клетки, сколько парализует их способность "спасаться мутациями", вбивая "жесткий болт" тимина там, где должно быть "колесико" урацила. Это запускает цепь процессов, ведущих к энергетическому истощению организма.
Само собой, кроме естественных химических превращений, в живых организмах осуществляется постоянная "генная инженерия" за счет информационных программ вирусов. Но это уже отдельная тема, которую мы исследовали в разделе "Антидогмы медицины. Биологическое обоснование новой парадигмы". Туда и отсылаем читателя.
Пока что делаем выводы.
Химические соединения, являющиеся буквами генетического кода, спарены так, что одна является датчиком энергии, а другая - рецептором.
Наиболее энергетичный аденин входит в состав всех трех стоп-кодонов, что делает их "резервами" для осуществления вещественно-информационных превращений в нук-леотидной цепи.
Аденин может быть результатом абиогенного синтеза -это, очевидно, древнейшая часть генетического кода.
Единственный на сегодняшний день известный механизм захвата энергии окружающей среды - образование ди-меров тимина, что также свидетельствует о добиогенном его формировании.
Гибким способом адаптации живой системы, в частности клетки, к условиям окружающей среды, является сплайсинг и [104] редактирование РНК, в процессе которых удаляются ненужные фенотипу участки ДНК с последующими сращиваниями экзонов, что приводит к сложным модификациям химических веществ. Все это сопровождается синтезом белков с новыми свойствами, в структуре которых отдельные аминокислоты будут определяться триплетами мРНК, отсутствующими в нуклеотидной последовательности ДНК. Этот процесс индуцируется условиями окружающей среды.
И сплайсинг, и редактирование могут осуществляться без каталитической активности белков - только взаимодействием пространственно-измененных участков мРНК с последующим выпетливанием полинуклеотидных фрагментов и удалением нитронов. Второй путь обеспечения качественной стороны информации при минимальном ее количестве - создание генного комплекса со "скрытыми" нитронами. Именно неактивная информация является потенциалом многообразия селективных возможностей эукариотической клетки.
Во время перехода от генотипа к фенотипу осуществляются сложные взаимопревращения органических соединений, являющихся буквами генетического кода: апуринизация, дезаминирование. Единственный недезаминируемый триплет - это тимин; урацил, считающийся его аналогом в РНК, дезаминируется легко. Эти превращения представляют собой не что иное, как отлаженный механизм переброса энергии и информации туда, где в этом есть необходимость, - через замену нейтрального нуклеотида на урацил, способный спариваться с аденином. Энергетическая очевидность этого процесса заставляет предполагать, что в природе он запускается в ход в любой экстремальной ситуации.
Вторым путем реагирования на происходящие во времени изменения является обратимое модифицирование нуклеотидных последовательностей без нарушения их кодирующей способности через метилирование/деметилирование ДНК.
Взаимодействие между ДНК и РНК - двусторонний процесс, во время которого фенотип также передает жизненный опыт, могущий отложиться в генотипе. Ламаркизм, от которого наука отказалась, какое-то зерно истины содержит.
Содержание генетической информации в широких пределах может изменяться при "чтении рамки со сдвигами"[105] при переводе из рецесивного в доминантное состояние "молчащих мутаций" в "кодонных семействах".
Будучи соседними, два из стоп-кодонов участвуют в непрерывном калейдоскопе клеточных событий, подчиняясь энергетической целесообразности. При этом образуется глутаминовый кодон.
Код, который до недавнего времени называли универсальным, дает наибольшее количество запретных пар нук-леотидов, не допуская траты энергии на синтез белков с бессмысленной нуклеотидной последовательностью.
Эволюция вершится непрерывно, ибо непрерывен ход времени, оставляющий след на всем, и проявляется она в обогащении наследственного аппарата всех живых систем. Пути разнообразнейшие - от химических взаимодействий триплетов до привнесения в наследственный аппарат кассет генов через вирусную интервенцию.
Мутации - совершенно естественное проявление жизни, реакция на изменение окружающей среды, уравновешиваемая механизмами, снижающими частоту их выхода на фенотип. По математическим подсчетам, двухточечная мутация способна превратить любой триплет во что угодно. Сколь бы ни было исключительным такое событие, но оно подпадает под закон больших чисел, а, следовательно, совершается.
Не о буквах генетического кода нужно говорить, а об информационном их наполнении, в которое выливаются непрерывные химические превращения пуриновых в пиримидиновые основания, обусловленные перераспределением свободной энергии в направлении от аденина к тимину. Недезаминируемый тимин подобен точке в этом процессе.
В процессе окислительных превращений постоянно вступают между собой в химические взаимодействие два генома наших клеток - митохондриальный и ядерный.
Причину раковой опухоли следует искать не в мутациях, а во временном рассогласовании какого-то происходящего в детерминированной клетке древнего процесса с общим информационным полем, контролирующим развитие организма.
Почему так происходит? [106]