Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Ген lacZ (см. рисунок) кодирует часть механизма усвоения лактозы. Выше по ходу транскрипции от него (грубо говоря, перед ним), как всегда, находится его промотор. РНК-полимераза, которую я изобразил в виде серой фигуры, вот-вот продвинется вперед и считает ген lacZ.
(Рисунок выполнен без соблюдения масштаба; в реальности ген lacZ состоит примерно из 3 тысяч п. н., а РНК-полимераза покрывает лишь 30–40.) E. coli производит белок, называемый lac-репрессором, который связывается с оператором – другим участком ДНК выше по ходу транскрипции от lacZ. Когда lac-репрессор (темная фигура) связан с ДНК, РНК-полимераза не может нормально прикрепиться к ДНК1 и ген lacZ не экспрессируется.
Как мы знаем, ДНК и белки – это физические тела со специфической структурой, которая определяет характер их работы. Lac-репрессор связывается с ДНК поразительно хитроумным способом. Расстояние между последовательностями нуклеотидов, которые он распознает, превышает его собственную ширину. Следовательно, репрессор должен сворачивать ДНК в тугое кольцо диаметром около 10 нанометров2.
Мы помним, однако, что ДНК – молекула жесткая. Если дать ей свободу, она останется относительно прямой на 100-нанометровых отрезках. Подобно цирковому силачу, гнущему железный прут, lac-репрессор изгибает ДНК. Свернутая в петлю ДНК мешает РНК-полимеразе считывать гены белков, которые участвуют в расщеплении лактозы3.
У lac-репрессора есть еще одно удивительное свойство: он может связываться с молекулярным двойником лактозы, аллолактозой (черный кружок на следующем рисунке), из-за чего слегка меняет форму и теряет способность удерживаться на операторе. Набредая на лактозу в среде, бактерия поглощает какое-то ее количество и преобразует в аллолактозу, lac-репрессор перестает работать, и синтезируются расщепляющие лактозу белки – теперь бактерия может насытиться находкой.
Регуляторы, подобные lac-репрессору, характерны для всех организмов, не только для бактерий. Мешать РНК-полимеразе должным образом взаимодействовать с ДНК или хотя бы конкурентной борьбой снижать вероятность такого взаимодействия – одна из излюбленных природой тактик регуляции активности генов. Подавление экспрессии может быть сопряжено с внешними стимулами, как в случае с lac-репрессором, либо с внутренними, как мы увидим далее.
В регуляторном арсенале клетки припасены и противоположно действующие инструменты – активирующие экспрессию. Особенно часто они работают в районе промоторов, с которыми РНК-полимераза связывается слабо. Белки-активаторы, имеющие сродство с полимеразой, распознают и занимают прилегающие к промотору участки ДНК, повышая шансы РНК-полимеразы удержаться и начать транскрипцию.
Активаторам нашлось место и в истории с лактозой. Бактерии вроде E. coli действительно любят лактозу, но еще больше они любят другой сахар, глюкозу. Будь у бактерий глюкоза, они ни за что не стали бы тратить силы на расщепление даже доступной лактозы. Этот феномен в 1940-х открыл Жак Моно4, который во время Второй мировой войны совмещал исследования в области фундаментальной биологии с участием во французском Сопротивлении. Бактерия должна экспрессировать гены расщепления лактозы, только если в среде есть лактоза и нет глюкозы. Задачу регулятора здесь выполняет белок, активирующий катаболизм (CAP; г-образная фигура на рисунке). Связь РНК-полимеразы с lac-промотором слаба, поэтому даже без lac-репрессора транскрипция генов катаболизма лактозы маловероятна. Бактерия производит белок-активатор, который садится на ДНК, только если связан с молекулой под названием циклический аденозинмонофосфат, или цАМФ. Эту молекулу бактерии производят лишь при низком уровне глюкозы, и ее даже называют «сигналом голода». Следовательно, в присутствии глюкозы цАМФ мало, активатор не связывается с ДНК, и гены расщепления лактозы не экспрессируются, даже если она доступна. Когда глюкозы нет, цАМФ много, активатор связывается с ДНК и гены экспрессируются – при условии, что полимераза не блокируется lac-репрессором. Это очень хитроумная система, особенно для безмозглого существа размером в тысячную долю миллиметра.
 
Репрессоры и активаторы в совокупности называют факторами транскрипции, поскольку они управляют транскрипцией генетической информации. Факторы транскрипции представляют собой белки, а значит, сами кодируются генами. В нашем геноме таких генов очень много – точное число неизвестно, но считается, что их не меньше 16005. И это при том, что у нас всего около 20 тысяч белок-кодирующих генов. Иными словами, существенная часть наших генетических инструкций приходится на тормозящие и инициирующие механизмы считывания самих инструкций.
Факторы транскрипции и решения, которые они обеспечивают, характерны для всей живой природы и незаменимы при кодировании сложного поведения простыми генами. Регуляторным областям – посадочным площадкам для факторов транскрипции в геноме – даже не обязательно примыкать к подконтрольным генам. Поскольку геном изгибается и перекручивается, транскрипционный фактор, связанный с участком ДНК, может влиять на экспрессию гена, который пространственно приближен, хотя на распрямленной ДНК находился бы далеко (см. рисунок)6.
Такие взаимоотношения генетического и физического расстояний открывают дополнительные возможности для регуляции генов и активно исследуются в современной биофизике.
Все механизмы, которые мы рассматривали, относились к регуляции транскрипции, то есть первого шага в экспрессии гена, когда закодированная в ДНК информация переписывается языком РНК. Клетки также могут регулировать трансляцию, или синтез белка по матрице РНК. Способов такой регуляции множество, включая управление скоростью деградации матричной РНК, изоляцию мРНК в особых зонах клетки и даже синтез молекул РНК, комплементарных мРНК, чтобы образовавшийся дуплекс не смог транслироваться в белок. Мы могли бы посвятить еще множество страниц изучению разнообразия инструментов генетической регуляции, но лучше сделаем шаг назад и оценим универсальность этих механизмов и некоторых структур, созданных природой для объединения отдельных инструментов в машины.
Портативный генетический контроль
Мы увидели, как lac-система применяет факторы транскрипции, чтобы включать или выключать гены в зависимости от стимулов окружающей среды, в частности от актуального выбора сахаров. E. coli и другие бактерии используют эту систему, чтобы привести свою биохимическую активность в соответствие с доступностью той или иной пищи. Ученый может без труда добавить лактозу в колбу с изголодавшимися по глюкозе бактериями, и это подтолкнет их к активации гена lacZ. Однако можно поступить похитрее, добавив в колбу реагент ИПТГ, который очень похож на аллолактозу, но при этом устойчив к расщеплению. Связавшись с ИПТГ, lac-репрессор не сможет удерживаться на операторе и подавлять транскрипцию, поэтому клетка начнет производить ферменты катаболизма лактозы, даже когда ее нет. Смысл этих странных манипуляций в том, чтобы создать управляемую систему для экспрессии нужных генов. Возможно, ученый заменил гены расщепления лактозы другими, сохранив те же регуляторные элементы, включая lac-промотор. Эти новые гены могут кодировать флуоресцентные белки, позволяющие наблюдать за бактерией, или какие-то полезные вещества вплоть до лекарств. Теперь ученый может контролировать экспрессию встроенных генов с помощью внешнего индуктора, ИПТГ.