Что может быть лучше идеальных генетических отношений?

Д-р Светлана Кабанова (Дюссельдорф)

Прожить без нелепых привычек

Увы, невозможно пока,

Что в жизни у нас гармонично?

Лишь гены в цепи ДНК!

Светлана Кабанова

Гены, скромные молекулярные кирпичики нашей жизни, определенные в предыдущей статье как «элементарные единицы наследственности», в очередной раз удивили человечество. Во-первых, гены решительно опровергли господствующую продолжительное время догму об их полной идентичности, доказав обратное. Во-вторых, и вопреки разнообразию, гены оказались на высоте, продемонстрировав абсолютную гармонию в генетических отношениях. Одними из первых, кто предположил вышесказанное, оказались талантливые французские биохимики Франсуа Жакоб (François Jacob) и Жак Моно (Jacques Monod).

Франсуа Жакоб (1920-2013) и Жак Моно (1910-1976)

Сознательно променявшие прелесть визуальных наблюдений живой природы на закрытые помещения лабораторий, Франсуа Жакоб и Жак Моно в 1961 году впервые высказали мысль о существовании двух принципиально разных групп генов: структурных и функциональных. Различие между ними состоит в том, что структурные (или информационные) гены как раз и являются теми наследственными кирпичиками (матрицами), несущими в себе информацию обо всех признаках организма, а функциональные – прямо не кодируют развитие признаков. Второе название функциональных генов – регуляторные. Оно дано им не случайно, а исходя из того, что функциональные гены являются «начальниками из управленческого отдела», регулирующего работу структурных генов. Сенсация? Да! Но полностью подтвержденная.

Прошло совсем немного времени после изложения Жакобом и Моно своей ошеломляющей теории, а любознательные последователи ученых дальше и глубже, приоткрыв завесу сокровенных генетических тайн матушки-природы. Что же увидели дотошные исследователи? Они были восхищены мудрой иерархичностью строения ДНК и полным взаимопониманием партнеров в генетических взаимоотношениях!

Кто-то недавно спорил со мной до хрипоты, доказывая, будто ДНК можно разрезать ножницами. Ничего подобного! Ножницами можно разрезать только ее искусственную модель, да и то в случае крайней необходимости: зачем портить муляж? А нативную (настоящую) молекулу ДНК можно разрезать только специальными белками-ферментами.

Настоящую ДНК нельзя разрезать ножницами!

Разрезав нить ДНК одноименным ферментом ДНКазой и внимательно рассмотрев ее участки-гены, мы увидим картину, представшую перед изумленными взорами ученых середины прошлого века. В несколько обобщенном виде она представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Фрагмент молекулы ДНК (сверху) с обозначенными функциональными (ген-регулятор, ген-промотор и ген-терминатор) и структурным генами. Белок-репрессор расположен внизу. (Фото: Geny.png)

Самым важным и незаменимым считает себя функциональный ген-регулятор. На это есть основания, потому что только он вправе определять, когда и в каком количестве должен синтезироваться тот или иной белок. Возражений ген-регулятор не терпит и для подавления молекулярного инакомыслия вынужден иногда прибегать к помощи белка-репрессора. Необходимо отметить, что репрессор является белком, а не геном. Белки имеют принципиально иную биохимическую природу, нежели ДНК, поэтому наш репрессор так «стеснителен». Ему «неловко» вмешиваться в работу генов, хотя иногда он вынужден делать это. Можно догадаться, с каким облегчением вздыхает белок-репрессор, когда в его услугах не нуждаются!

«Эврика! – по-архимедовски отвечает регулятору функциональный ген-промотор, – я понял, как побудить структурный ген работать на полную катушку!». Своим названием ген-промотор обязан красивому английскому слову «promotion», что в переводе означает «содействие, стимулирование».

В центре нашего внимания находятся исполнители, неутомимые труженики – структурные гены. На предлагаемом рисунке они представлены одним геном.

Регулировщиком окончания работы структурного гена служит функциональный ген с голливудским названием «терминатор». На самом деле ассоциации с культовым кинороботом только фонетические, потому что по смыслу ген-терминатор очень добросердечен и не способен на убийство. Он лишь завершает работу предшествующего ему структурного гена. Ставит точку.

Такова философия жизни, как на общественном, так и на молекулярном уровне: исполнители подчиняются начальникам. Вряд ли кто-то будет спорить, что в социальной сфере возникают ситуации, побуждающие поразмышлять о том, в каком количестве нужны руководители и насколько эффективны их действия. К счастью, при передаче наследственной информации отношения исполнителей (структурных генов) и освобожденных работников (функциональных генов) удивительно сбалансированы: функциональные гены очень гармонично контролируют работу структурных генов! Человеческому обществу есть чему поучиться у микроскопических генов!

Налаживание таких гармоничных отношений стоило матушке-природе неисчислимого количества лет эволюционных преобразований, оттачиваний и опыта. Может быть, потому она никогда не спешит раскрывать свои секреты. Но усилия самых рьяных и неистовых ее исследователей раньше или позже, но всегда бывают вознаграждены. «За открытия, касающиеся генетического контроля синтеза ферментов и вирусов» Франсуа Жакоб и Жак Моно совместно с Андре Мишель Львов (André MichelLwoff) в 1965 году были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. Обратите, пожалуйста, внимание, что свое предположение о наличии структурных и функциональных генов Жакоб и Моно высказали в 1961 году, а уже в 1965 году они стали лауреатами Нобелевской премии. Согласитесь, что это небывало короткий срок от первой публикации до высочайшей награды! Речь идет всего о четырех годах. Но за эти четыре года весь мир смог наглядно убедиться в истинности теории ученых.

 Краткость и лаконичность – достойнейшие качества. Но если позволить себе более детально охарактеризовать суть открытия Франсуа Жакоба и Жака Моно, то можно и нужно сформулировать следующее: «За нахождение двух принципиально различных групп генов: структурных и функциональных. За описание механизмов действия и выяснение вклада каждой группы генов в процесс передачи наследственной информации. За очередной переворот в биологической науке, сравнимый по значимости с постулированием планетарной системы атома или систематизацией химических элементов в периодическую систему».

Открытие Жакоба-Моно отправило на хранение в анналы истории биологии считавшуюся незыблемой теорию «один ген – один белок – один признак», которая широко распространяла свое влияние на монографии, научные статьи, авторефераты и страницы учебных пособий. Теория гласила, что один ген кодирует один белок, который, в свою очередь, отвечает за формирование конкретного признака организма. Считалось, что наши наследственные кирпичики ничем не отличимы друг от друга, однообразны и не способны к альтернативным и многовекторным действиям.

Итак, наступила новая эра. Открыты структурные и функциональные гены. Догма «один ген – один белок – один признак» превратилась в исключение. Новорожденная молекулярная биология словно сорвалась с цепи и помчалась вперед семимильными шагами. Неутомимые апостолы менделеевских заповедей, лабораторные отшельники с неотстирывающимися халатами, ошалелые фанатики с бездонным списком необходимых реактивов, предпочитающие их загадочный запах кондиционированному воздуху обычных помещений... В общем, молекулярные генетики вскоре выяснили, что у некоторых организмов ген-промотор имеет напарника – гена-оператора. Кроме того, оказалось, что один промотор может активировать работу нескольких структурных генов. А белки при гене-регуляторе не всегда занимаются репрессиями. Иногда они способны на прямо противоположные действия, направленные на поощрение (стимуляцию) активности генов.

Стало очевидным, что один ген не всегда отвечает за формирование одного и только одного признака. Было убедительно доказано, что в большинстве случаев гены действуют сообща. Признаки, проявление которых зависит не от одного, а от множества генов, стали называть полигенными, или количественными.

Классическими примерами полигенных признаков у человека могут служить цвет волос и пигментация кожи, рост, телосложение, предрасположенность к различным заболеваниям (например, величина артериального давления), одаренность (например, наличие певческого голоса), а также умственные способности.

У животных к полигенным признакам, например, относятся молочная продуктивность и масса тела у коров; размеры головы, структура шерсти и форма хвоста у собак; рост и плодовитость у кошек; яйценоскость у кур. У растений полигенными признаками являются высота, масса, продуктивность, число листьев, побегов, цветков и плодов, химический состав органов.

Переписаны ли школьные учебники с учетом изложенных выше фактов? Пусть это останется вопросом к должностным лицам. А мы сделаем то, что зависит от нас. Согласимся с тем, что за формирование признака может отвечать как один ген, так и множество генов. Примем во внимание, что функциональные гены не кодируют белки, отвечающие за признаки организма. Однако без регуляторных действий функциональных генов формирование целостного организма с его уникальными особенностями было бы невозможно.

Теперь, когда структура и функции генов корректно определены, гены нам полностью доверяют и хотят еще больше рассказать о себе. О том, как активность одних генов может подавлять действие других. О том, что некоторые признаки могут проявляться только у мужских или у женских организмов. О том, как могут влиять друг на друга не только отдельные гены, но и группы генов. Обо всем этом они расскажут нам в следующий раз. Но перед тем, как поставить точку в этой статье, нам осталось ответить на вопрос, прозвучавший в ее названии. Что может быть лучше идеальных генетических отношений? Только личные человеческие!