Скрытые связи - Капра Фритьоф (книги бесплатно без txt) 📗
Эта линейная цепь, однако, чересчур упрощенна, чтобы описать реальные процессы, которые включает в себя биосинтез белка. И разрыв между теоретической основой и биологической реальностью становится еще больше, если свести эту цепочку к двум ее конечным точкам, сказав, что «гены определяют поведение». Подобное воззрение, известное под названием генетического детерминизма, как раз и стало концептуальной основой генной инженерии. Оно всячески пропагандируется биотехнологической индустрией и стало общим местом в средствах массовой информации: зная точную последовательность генетических элементов в ДНК, мы поймем, как гены вызывают рак, гениальность или склонность к насилию.
В течение последних четырех десятилетий генетический детерминизм был господствующей парадигмой молекулярной биологии. Благодаря ему за это время появилось огромное количество впечатляющих метафор. О ДНК часто говорят как о генетической «программе» или «инструкции» организма, как о «книге жизни», а о генетическом коде — как об универсальном «языке живого». По словам Мэ-Вань Хо, исключительное внимание к генам практически вывело из поля зрения биологов организм. Живой организм порой рассматривают попросту как совокупность генов — абсолютно пассивную, подверженную случайным мутациям и действию сил отбора со стороны среды, над которыми он не имеет никакой власти [32].
Согласно молекулярному биологу Ричарду Штроману, основной порок генетического детерминизма заключается в смешении уровней. Довольно успешная, особенно поначалу, теория генетического кода — объяснявшая, каким образом гены кодируют информацию для биосинтеза белков, — была превращена в теорию жизни, в которой гены выступают обусловливающим фактором всех биологических феноменов. «Мы смешиваем уровни в биологии, и теория перестает работать, — заключает он. — Неправомерное распространение генетической парадигмы с довольно простого уровня генетического кодирования и декодирования на более сложный уровень клеточного поведения представляет собой грубейшую гносеологическую ошибку» [33].
Трудности основного положения молекулярной биологии стали очевидны в конце 1970-х годов, когда биологи в своих генетических исследованиях перестали ограничиваться бактериями. Очень быстро они обнаружили, что у высших организмов уже не наблюдается того простого соответствия между последовательностями нуклеотидов в ДНК и аминокислот в белках, а пресловутый элегантный принцип «один ген — один белок» нуждается в пересмотре. По существу, ситуация представляется (и, кажется, не без оснований) такой, что процессы биосинтеза белков резко усложняются при переходе к более сложным организмам.
У высших организмов гены, кодирующие синтез белков, очень часто не образуют непрерывной последовательности, а оказываются фрагментированы [34]. Они состоят из кодирующих сегментов, перемежающихся длинными периодическими некодирующими цепочками, функция которых до сих пор не ясна. Доля кодирующей ДНК весьма непостоянна и в некоторых организмах может составлять всего 1-2 %. Все остальное часто называют «мусором ДНК». Но коль скоро естественный отбор сохранил эти некодирующие сегменты в течение всего периода эволюции, разумно предположить, что они играют некую важную, хотя и не выясненную пока роль.
Нет никакого сомнения в том, что обширный генетический ландшафт, открывшийся в результате картирования человеческого генома, содержит ряд интереснейших указаний на то, как шла эволюция человека — своего рода генетические «окаменелости», так называемые «прыгающие гены», которые в нашем далеком эволюционном прошлом выпали из своих хромосом, реплицировались независимо, а затем ввели свои копии в различные участки основного генома. Их распределение указывает на то, что некоторые из таких некодирующих последовательностей могут играть роль в общей регуляции генетической активности [35]. Иными словами, они — никакой не «мусор».
После того как фрагментированный ген копируется в нить РНК, эта копия должна пройти соответствующую обработку, необходимую для сборки белковой молекулы. В игру вступают особые ферменты, которые устраняют некодирующие участки и сшивают друг с другом оставшиеся информационные сегменты, образуя полноценную расшифровку кода. Иными словами, синтезу белка предшествует редактирование РНК- сообщения.
Такое редактирование не является однозначной процедурой: кодирующие последовательности могут быть сшиты по-разному, и каждый такой вариант соответствует конкретному белку. Таким образом, на основании одной и той же первичной генетической последовательности может быть синтезировано множество различных белков — по имеющимся оценкам, их число порой достигает нескольких сотен [36]. А отсюда следует необходимость отказаться от того принципа, согласно которому каждый ген ведет к синтезу одного конкретного фермента (или другого белка). На основании РНК-последовательности уже нельзя сказать, какой белок будет синтезирован. Келлер пишет:
Должен сформироваться сигнал (или сигналы), определяющий структуру окончательной расшифровки... [который проистекает из] сложной регуляторной динамики клетки в целом... Выяснение структуры такого сигнализирования стало основной задачей современной молекулярной биологии [37].
Еще одним сюрпризом для ученых стало недавнее обнаружение того факта, что регуляторная динамика клеточной сети определяет не только то, какой белок будет синтезирован на основании того или иного фрагментированного гена, но и то, каким образом этот белок будет функционировать. То, что один и тот же белок в зависимости от своего контекста может выполнять множество различных функций, было известно и раньше. Теперь же ученые обнаружили, что сложная трехмерная структура молекулы белка может изменяться под воздействием множества разнообразных клеточных механизмов, приводя к изменению функции такой молекулы [38]. Говоря коротко, клеточная динамика способна привести к синтезу многих белков на основании одного и того же гена и к возникновению многих функций у одного и того же белка — целая пропасть от линейной цепочки основного положения, не так ли?
Если же перейти от единичного гена ко всему геному и, соответственно, от формирования одного белка к формированию целого организма, генетический детерминизм столкнется с трудностями еще и другого рода. В процессе, скажем, развития эмбриона все образовавшиеся при делении клетки получают в точности тот же набор генов — и несмотря на это дифференцируются, превращаясь в клетки мышц, крови, нервов и так далее. На основании этого наблюдения специалисты по биологии развития еще несколько десятков лет назад пришли к выводу, что типы клеток отличаются друг от друга не потому, что они содержат различные гены, а потому что различные гены в них активизируются. Другими словами, структура генома во всех клетках одинакова, а вот организация генной активности различна. Возникает вопрос: чем же обусловлено это различие в генной активности, или, как говорят ученые, «экспрессии генов»? Как выразилась Келлер: «Гены не просто действуют; они должны быть активированы» [39]. Гены как бы включаются и выключаются в ответ на определенные сигналы.
Подобная ситуация возникает и в том случае, если сравнить геном различных видов. Последние генетические исследования обнаружили разительное сходство генома человека и шимпанзе, и даже человека и мыши. Генетики теперь придерживаются того мнения, что во всем животном царстве основная телесная структура организмов базируется на весьма сходных наборах генов [40]. И тем не менее мы имеем огромное разнообразие существ. Различия между ними, опять-таки, кроются, по-видимому, в организации экспрессии генов.
Для разрешения проблемы генной экспрессии молекулярные биологи Франсуа Жакоб и Жак Моно еще в начале 60-х годов выдвинули весьма остроумную гипотезу о различии между «структурными» и «регуляторными» генами. Структурные гены, считали они, ответственны за кодирование белков, а регуляторные контролируют скорость транскрипции ДНК и таким образом регулируют экспрессию генов [41].
