Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Поразительный пример такого генетического контроля описан Хайди Скрабл и ее коллегами из Университета Вирджинии в статье 2001 года с бесхитростным названием «Система lac-оператор – lac-репрессор работает у мыши»7. Ученые использовали мышей-альбиносов с мутантным геном тирозиназы, необходимой для производства пигмента. Внедряя в мышиную ДНК рабочий ген тирозиназы и его промотор (см. рисунок), авторы получали животных с типичной для вида пигментацией – с коричневой шерстью и карими глазами. Одной из любопытнейших частей эксперимента была организация управления генами пигментации. Хотя у животных немало регуляторных систем, свойственной бактериям lac-системы они лишены. Тем не менее ученые создали мышь с сайтом связывания lac-репрессора между промотором и кодирующей частью гена тирозиназы. Поскольку у млекопитающих нет гена lac-репрессора, а значит, и белка, синтез тирозиназы не подавлялся, и пигментация у таких мышей оказывалась нормальной (второй ряд на рисунке).
Другой линии мышей, тоже несущей ген тирозиназы под контролем lac-оператора, внедрили и ген lac-репрессора с собственным промотором. Эти мыши производили белок-репрессор (темная фигура), подавлявший экспрессию гена тирозиназы и лишавший их пигментации (третий ряд). Когда таких мышей поили водой с примесью ИПТГ, у них появлялась коричневая окраска (четвертый ряд). Как и в случае с бактериями, ИПТГ не позволял lac-репрессору блокировать считывание зависимого гена.
Наряду с нашей почти непостижимой способностью менять цвет шерсти и глаз животного с помощью сахароподобной молекулы в питьевой воде, этот эксперимент подчеркнул универсальность механизмов жизни. Последний общий предок мышей и бактерий сгинул более 3 миллиардов лет назад. С тех пор эволюция его потомков шла разными путями, выдав нам два непохожих существа: одноклеточный микроорганизм и мохнатого зверька размером с ладонь. Тем не менее, если вставить регуляторный аппарат одного из них в геном другого, он работает без нареканий [27]. Как за полвека до этого прозорливо и емко отметил сам Моно, «что истинно для E. coli, истинно и для слонов» [28].
Помимо lac-системы существует множество других, позволяющих организмам – или ученым – регулировать экспрессию генов. Подобные конструкции в ходу и в моей лаборатории. Только мы не меняем цвет мышиной шерсти, а включаем и отключаем способность некоторых бактерий плавать: добавляя в воду простой реагент, мы побуждаем их собирать или разбирать свои микроскопические моторы. Этот инструмент дает нам возможность оценить, насколько плавание помогает бактериям преуспевать в их среде. Всего за несколько десятилетий такая работа перетекла из области научной фантастики в реальность и продолжает упрощаться дальше.
Генетическая память
Если вы нажмете на выключатель, чтобы зажечь свет, вам не нужно будет удерживать палец на кнопке, чтобы лампа не погасла. Выключатель зафиксируется в новом стабильном положении и останется в нем, пока его не зафиксируют в другом, тоже стабильном. Природа и ученые тоже часто прибегают к подобным рубильникам: они направляют клетки на определенный путь при получении сигнала и не дают им свернуть с него, даже если сигнал пропал. У растений и животных это особенно важно для развития клеток разных типов. Так, и нейроны, и глия, которая помогает нейронам функционировать, берут начало от общей клетки-предшественницы. Специфические сигналы направляют ее на путь формирования нейрона, после чего она обречена экспрессировать соответствующий набор генов, создавать синапсы с другими клетками и выполнять все остальные задачи, возложенные на нейрон. Наверняка вам не хотелось бы постоянно уведомлять нейрон, что не стоит ему возвращаться к предковой форме, равно как и обращаться в глию либо нейронно-глиальную несуразицу. Чтобы тип клетки не менялся, генам нужны тумблеры. Иными словами, клеткам нужна память: они должны запоминать воспринятые когда-то стимулы, перекодируя их в схемы экспрессии генов, стабильные в настоящем и будущем.
 
Способов создать воспоминание много. Есть и такой, который основан на знакомом нам действии факторов транскрипции. Представьте два гена, A и B. Как и в случае с lac, у гена А есть репрессор. Теперь допустим, что ген этого репрессора находится сразу за геном B по ходу транскрипции, поэтому, если экспрессируется B, то экспрессируется и он. Представьте, что ниже A по ходу транскрипции, подобно гену репрессора А, находится ген репрессора B, и если экспрессируется А, экспрессируется и этот ген. Такая взаимная репрессия обеспечивает работу памяти. Допустим, A экспрессируется сильно. Клетка производит много репрессора гена B, поэтому B подавляется, в отличие от А (репрессор гена А не считывается из-за совместной с В репрессии), что соответствует сильной экспрессии А. Клетка продолжает существовать в состоянии А. С другой стороны, если сильно экспрессируется B, события развиваются противоположным образом и клетка продолжает существовать в состоянии B. У этой клетки два стабильных типа поведения. Мы можем переключиться между ними, например, наводнив клетку множеством сигналов активации или репрессии какого-то из этих генов. Если в регуляторном аппарате задействован lac-репрессор, то таким сигналом может быть ИПТГ. С этого момента клетка будет хранить воспоминание о произошедшем событии.
Здесь проиллюстрирован общий принцип, который заключается в том, что гены регулируют экспрессию генов. Иными словами, обратная связь между генами формирует те или иные паттерны активности. В нашем примере тумблером служили два варианта репрессии (отрицательная обратная связь). И это не гипотетическая история: такая схема часто работает в живой природе: например, заразившие бактерию вирусы вынуждены выбирать между состояниями активного размножения и «спячки». Но немало и других эффективных схем. Мы можем, например, совместно экспрессировать ген А и ген его активатора, усиливая результат стимуляции, изначально направившей клетку на путь А (положительная обратная связь).
Часы и схемы
Мы узнаем время по часам. В основе конструкции любых часов лежит какой-то периодический, ритмический феномен вроде колебаний маятника или частых вибраций кварцевого кристалла. Все живые организмы и даже отдельные клетки используют часы, чтобы контролировать активность, которая должна усиливаться и ослабевать с определенной периодичностью. Прекрасный пример – циркадные ритмы8. У многих растений выработка хлорофилла организована примерно в 24-часовом цикле, что соответствует длительности суток. Растение ориентируется не только на внешние сигналы, которые непостоянны из-за теней и облаков, но и на внутренний механизм отсчета времени с 24-часовым периодом. Он есть и у людей: температура тела, кровяное давление и, разумеется, сонливость повышаются и снижаются у вас примерно раз в сутки, даже если вы неделями сидите в комнате с неизменной освещенностью. Циркадные часы есть у животных, грибов и даже некоторых бактерий. Восприятие света помогает поддерживать ритм и сдвигает моменты пиков и минимумов, но сама периодичность обусловлена внутренними осцилляторами.
Регуляция активности генов позволяет отдельной клетке создать осциллятор исключительно из ее собственных компонентов. Здесь мы вынуждены уйти в некоторую абстракцию, поскольку реальные клеточные осцилляторы устроены сложно и задействуют множество генов. Для иллюстрации общего принципа можно обойтись и одним.
Простейший осциллятор состоит из гена, который репрессирует сам себя, – точнее, гена, кодирующего белок, который подавляет экспрессию своего же гена. На первый взгляд это кажется нелепым: как такой ген вообще будет работать? Разгадка здесь в том, что и на экспрессию, и на репрессию нужно время. Как мы помним, экспрессия гена предполагает транскрипцию участка ДНК в молекулу РНК, а затем (для белок-кодирующих генов) трансляцию этой РНК в цепочку аминокислот – белок. Если формируется белок-репрессор, то ему предстоит какое-то время поблуждать, прежде чем он наткнется на промоторную область подавляемого гена. Даже после того, как репрессор свяжется с ДНК и блокирует работу РНК-полимеразы, ген инактивируется не сразу. Уже произведенные копии РНК могут и дальше транслироваться, а синтезированные белки могут и дальше заниматься своими делами. Суть в том, что экспрессия может какое-то время нарастать, и ген еще остается активным, хотя и репрессирует сам себя. Чтобы лучше понять, как колеблется его активность, нам нужно привлечь еще один факт о белках: все белки со временем деградируют, то есть разрушаются.