Структура генома не случайна
Описание структуры человеческого генома в учебниках зачастую выглядит как набор не связанных между собой фактов. На самом деле каждый элемент в этой сложной системе подчинен решению конкретной и очень непростой биоинженерной задачи — обеспечения сохранности генетического материала организма.
Только представьте: общая длина ДНК в клетке человека составляет около двух метров при среднем размере клетки 10–100 микрометров (1 мкм = 0,000001 м). То есть каждой клетке в нашем теле необходимо упаковать, не запутав и не порвав, тончайшую молекулярную нить в крошечный объем. Попробуйте при случае проделать аналогичный эксперимент с парой метров шелковой нити, и вы поймете, насколько это непросто.
В молекуле ДНК имеется множество активных химических групп — фосфатных остатков, гидроксилов, аминогрупп, — способных вступать в разнообразные реакции, а внутриклеточная среда, в которой она находится, представляет собой весьма энергичный химический «бульон». Как в таких непростых условиях избежать повреждения полимера?
Но главное — геном не просто энциклопедия клеточной информации, чья основная повседневная функция — «стоять на полке» в ожидании редкого читателя, а скорее «техническая документация», определяющая повседневную жизнь клетки. Та или иная ее часть постоянно пускается в ход, направляя синтез различных белков. ДНК мало компактно упаковать, сохранить от нежелательных воздействий и «убрать в закрома». Необходимо, чтобы при этом она продолжала работать — эффективно взаимодействовать с клеткой и регулировать ее жизнедеятельность, «включая» и «выключая» разные гены. Ну и конечно, не будем забывать: живые клетки размножаются делением, а это значит, что для сохранения «самоподобия» всех клеток многоклеточного организма в каждом таком случае геном материнской клетки должен быть сначала скопирован, а потом равномерно распределен по двум новым — дочерним — клеткам. Для соблюдения всех этих условий в биологических системах выстроена сложная иерархическая организация генома.
Начнем с основ — с химической формулы ДНК, которая состоит из последовательности мономеров нуклеотидов. Как нам уже известно, кроме ДНК, в живых клетках встречается другая нуклеиновая кислота, рибонуклеиновая (РНК), — в эволюционном смысле, как считают ученые, «старшая сестра» ДНК, возникшая намного раньше. У РНК в клетке много разных (и очень важных) функций, но хранение биологической информации в их число не входит. Геномы всех клеточных форм жизни, от бактерий до человека, построены только из ДНК (исключение составляют лишь некоторые вирусы). Существует немало предположений, почему так получилось, но самое правдоподобное — различие в ролях ДНК и РНК связано с различиями в их молекулярном строении. Полное наименование ДНК — ДЕЗОКСИрибонуклеиновая кислота. Сахар рибоза в ее составе немного изменен по сравнению с РНК (РИБОнуклеиновой кислотой): вместо гидроксила в одной из позиций находится водород, что делает молекулу менее гибкой, но более стабильной. Именно это свойство — стабильность — позволило ДНК выиграть у РНК молекулярную конкуренцию и занять место главной хранительницы генетической информации невообразимо древнего и, вероятно, еще доклеточного мира.
Первичная возможность для сбережения и копирования генетической информации заключена уже в пространственной структуре этого необычного полимера, который в клетке никогда не бывает представлен одиночной нитью, но всегда имеет форму спирали из двух разнонаправленных молекул, подходящих, или, как говорят ученые, «комплементарных», друг другу так, чтобы образовывать красивую симметричную и стабильную структуру. За ее предсказание и описание в свое время ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик получили Нобелевскую премию.
Симметрия пространственной структуры ДНК достигается за счет того, что напротив остатков большего размера аденина (А) и гуанина (G) всегда стоит остаток меньшего объема тимина (Т) и цитозина (С).
Стабильность достигается за счет того, что напротив одного остатка, способного образовывать две или три водородные связи, всегда стоит второй с аналогичными свойствами (А — Т, G — C), чтобы ни одна возможность для образования связи не оказалась утраченной. Кроме того, уложив аккуратными стопочками внутри спирали массивные и гидрофобные (жирные, буквально — «боящиеся воды») нуклеотиды и выставив наружу полярные, «дружащие с водой», остатки фосфорной кислоты молекул, ДНК также увеличивает свою стабильность.
Принцип комплементарности приводит к тому, что, зная последовательность одной (любой) нити ДНК, вы всегда можете достроить вторую, комплементарную ей, нить. Именно это происходит при делении клетки, когда генетическая информация удваивается.
Но для нас сейчас важнее то, как спиральная структура ДНК помогает сохранению генетической информации. С одной стороны, она изолирует нуклеотиды (последовательность которых, собственно, и является значимой, «кодирующей» частью полимера) внутри спирали, защищая их от химических воздействий и модификаций. С другой — любая «неправильность» в спаривании «неподходящих остатков», например А — С или С — С, тут же приведет к нарушению регулярной структуры спирали и с легкостью может быть обнаружена и исправлена.
Благодаря большому количеству остатков фосфорной кислоты молекула ДНК в воде имеет отрицательный «кислотный» заряд, и, чтобы скомпенсировать его и привести молекулу в более «нейтральное», а значит, менее активное в химическом смысле состояние, клетка использует специальные белки гистоны, богатые положительно заряженными «щелочными» аминокислотными остатками, которые образуют белковый комплекс нуклеосому. Спираль ДНК наматывается на шарик нуклеосомы, образуя структуру, названную наблюдательными биологами «бусины на нитке». Потом эти бусины упаковываются в более плотную структуру — фибриллу, фибрилла, в свою очередь, сворачивается и перекручивается и т. д. В результате образуется хроматин — комплекс из ДНК и белков, который позволяет упаковать наследственную информацию одновременно и плотно, и упорядоченно, а молекулы белков хроматина еще и надежно защищают хрупкую молекулу ДНК от воздействия повреждающих факторов. При этом разные части клеточного хроматина могут быть упакованы с разной плотностью. Гены, активные в данном типе клеток, будут находиться в участках рыхлого хроматина, где они доступны для взаимодействия с белками, а вот «спящие гены» окажутся уложены более плотно.
При делении клетки хроматин ядра собирается в хромосомы. Каждая хромосома — это отдельная «нить» ДНК, максимально плотно упакованная с белками и несущая определенный набор генов. В клетке бактерии, как правило, одна кольцевая хромосома, но большинство многоклеточных организмов построено на основе геномов, содержащих несколько линейных хромосом. Если воспользоваться сравнением из мира библиофилов, то геном бактерии — это «однотомник», а вот человеческий геном представляет собой целое «собрание сочинений» в 23 томах-хромосомах.
