Пуговки, петельки и прочее молекулярное рукоделие
Часть 1, в которой, в числе прочего, содержится дисклеймер насчет источников.
Часть 2, про устройство ДНК и почему у нас не растут руки из жопы и глаза на затылке.
У меня дилемма. Я, похоже, забежала вперед, замутила опрос про ГМО, и теперь по логике следовало бы разобраться с результатами этого опроса. А с другой стороны, прежде чем переходить к разговору о ГМО, я хотела поговорить о предпосылках для генной инженерии вообще. О том, что делает ее в принципе возможной. Но мысль-то уже убежала вперед! И разговор о базе мне самой уже кажется возвратом на шаг назад. Но обещала же. И без этого будет труднее врубиться в тему про ГМО. А интерес уже впереди. В общем, я застряла надолго и пришлось выждать, пока азарт не перестанет меня подталкивать к забегу впереди паровоза. В общем, я изрядно протормозила, потому что долго дожидалась собственного возврата в нужные кондиции. Кажется, сегодня наконец дозрела и сейчас расскажу обещанное - а потом уже про результаты опроса.
В прошлый раз я говорила, что основная задача ДНК в клетке - это старательно храниться и по возможности не портиться. Но это так только до тех пор, пока клетка не начнет делиться. Чтобы клетка поделилась, необходимо, чтобы все хромосомы (помним, что хромосомы - это просто способы упаковки молекул ДНК) в ядре удвоились, расползлись в разные стороны - и тогда две дочерние клетки получат одинаковые наборы хромосом, следовательно, одинаковые геномы. Если бы жизнь проектировал какой-нибудь высоколобый рационально мыслящий умник, он бы наверняка придумал бы способ, как копировать обе цепочки молекулы одновременно, продвигаясь в одну сторону вдоль спирали. Но, поскольку никакого рационального умника среди проектировщиков не нашлось, репликация ДНК происходит весьма хитровычученным способом.
С одной стороны все просто: цепочки нуклеотидов комплементарны друг другу, так что если их расцепить, то на базе каждой цепочки можно достроить соответствующую последовательность нуклеотидов - и вуаля. С другой стороны, вся эта химия устроена так, что ДНК-полимераза (фермент, который и занимается нанизыванием нуклеотидов) умеет ехать по цепочке ДНК только в одну сторону. Сейчас попробую объяснить так, чтоб понятно было. Во всех научно-популярных книжках, мультиках, лекциях и прочих материалах обязательно упоминается, что у молекул ДНК и РНК есть конец 3' и конец 5' - но ни разу нигде я не видела толкового объяснения, почему эти концы именно так называются. Поэтому, чтоб не запутаться самой и не запутать читателей, я как-нибудь на пальцах. Итак, цепочки комплементарны друг другу, следовательно, мы можем вообразить, что на конце одной цепочки находится пуговица. А на конце другой цепочки с той же стороны логичным образом должна находиться петелька. На другом конце молекулы то же самое: на одной цепочке петелька, а на второй пуговка. И вот ДНК-полимераза умеет ехать только по направлению от пуговки к петельке, а обратно - не может. Поэтому молекуле ДНК перед репликацией приходится расплетаться на две отдельные цепочки, на одну из них, где освободилась пуговка, ДНК-полимераза садится и едет без остановок прямо вперед, оставляя позади себя новенькую свежесплетенную двойную спираль. А на другой цепочке свободной оказалась петелька, на которую ДНК-полимераза сесть не может. Но не болтаться же ей одинокой до самого конца, пока пуговка не освободится! Этак на открытые водородные связи фиг знает что понавешается! Поэтому вторая цепочка тоже копируется сразу же - только по частям. Девочки, которых в школе на уроках труда шить учили, помнят разные виды ручных швов - один из них назывался "назад иголку". Вот именно таким вот швом "назад иголку" достраивание второй цепочки ДНК и происходит. Заскочили вперед, проехались обратным ходом, нанизывая нуклеотиды, спрыгнули, заскочили еще вперед до того места, докуда исходная молекула уже расплетена, проехались назад, надстраивая нуклеотиды до стыка с предыдущим надстроенным участком, снова спрыгнули и заскочили вперед - и так, пока не доберемся до конца с пуговкой. Изящная хитровывернутая кадриль получается. И все бы ничего, но при таком количестве прыжков и склеек на стыках повышается вероятность ошибок копирования, то бишь мутаций. Мало ли, чего там намутирует! А с другой стороны, кабы не мутации, не было бы эволюции, так что спасибо этому молекулярному рукоделию за то, что мы теперь такие, какие есть.
С мутациями вообще все любопытно: еще дедушка Дарвин высказал (подтвердившееся позднее) предположение, что эволюция видов происходит из-за того, что мелкие изменения в каждом следующем поколении подвергаются естественному отбору: полезные сохраняются и передаются дальше, а вредные устраняются вместе с носителем. И похоже на то, что на заре клеточной жизни так оно и было. Но вот представьте себе: у некой бактерии возникла полезная мутация, в результате которой поменялась одна буковка в одном гене, из-за этого синтезируемый с того гена белок тоже изменился: вместо одной аминокислоты оказалась воткнута другая. И вдруг этот новый белок оказался чертовски полезен, потому что как-то помогает переваривать больше типов органики из окружающей среды. Клевая мутация, благодаря которой эта бактерия сможет выжить, когда ее соседки начнут дохнуть от бескормицы. Другие сдохнут, а эта благополучно вырастет, поделится и даст начало новому штамму. Все бы ничего, но может оказаться так, что именно эта, получившая полезное преимущество бактерия жила на самом краю лужи, а лужа пересохла. Или именно ее слопала другая, более крупная бактерия. И все, и привет, вымрут все, полезная мутация исчезнет, не успев распространиться. Или еще хуже: у одной бактерии случились сразу две мутации, одна полезная и одна вредная. А поскольку бактерии могут только делиться и передавать свой геном целиком, то так эти мутации и будут передаваться дальше, склеенные вместе, пока условия не ухудшатся настолько, что вредная мутация станет фатальной. И опять привет, вымрут все. Надо что-то с этим делать...
Выход нашелся: оказалось, что у полезной мутации больше шансов распространиться среди потомков, если бактерии начнут обмениваться кусочками своего генома! Самый простой вариант - это сожрать останки дохлой товарки, но переварить не все, а какой-нибудь кусочек ДНК встроить себе. Правда, при этом потеряется кусочек своей ДНК - есть риск потерять как раз полезный кусок, а встроить именно ту фигню, из-за которой сдохла товарка. На это есть вариант посложнее: не просто терять свои куски, а отдавать их другим живым соседям взамен на их куски. Конечно, для каждой отдельной бактерии все равно остается риск приобрести фатальную гадость, но зато для всего вида однозначная польза, потому что при таком обмене кусочками мутации перестают быть сцеплены друг с другом намертво. Если повезет, то полезный кусочек ДНК окажется вырезан и передан дальше, а вредный останется и сдохнет. Скорость распространения полезных мутаций таким макаром сильно возрастает, благодаря чему ускоряется эволюция и вид лучше успевает приспосабливаться к окружающим условиям. Профит!
Для одноклеточных ребят, которые размножаются делением, это, пожалуй, наилучший выход. Но потом появились многоклеточные - и у многоклеточных появился еще более эффективный способ передавать полезные признаки дальше и отбраковывать вредные. Называется половое размножение. По-просту - секс. Выше я рассказала про то, как ДНК копируется для простого деления клетки, но ради полового размножения должны сформироваться особые половые клетки, в которых будет только один набор хромосом, чтобы потом две половые клетки слились в одну с обычным двойным набором. И если бы при этом клетка просто делилась, не удваивая хромосомы, то было бы тоже неплохо, но тогда дети наследовали бы родительские признаки сразу пачками: один набор в неизменном виде перекочевывал бы по отцовской линии, другой - по материнской. Именно так и происходит с Y-хромосомой, которая по отцовской линии передается целиком и почти без изменений, не считая мелких мутаций. Но раз уже даже тупые бактерии додумались до обмена участками ДНК между собой, то продвинутым многоклеточным эукариотам тем более грех отставать! И у нас есть рекомбинация. Перед формированием половых клеток (гамет) с одинарным набором хромосом в родительской клетке парные хромосомы подплывают друг к дружке, сливаются в экстазе и обмениваются кусочками. Причем границы этих кусочков никак не связаны с границами генов - мы запросто можем получить 1/4 какого-нибудь гена от папы и 3/4 от мамы. А в следующем поколении разрез придется на другой участок. Тоже, конечно, простор для ошибок и новых мутаций, но опять же, какие-то мутации могут оказаться и полезными! Снова профит для эволюции.
В общем, Дарвин был прав, это уже давно ясно. Вот только оказалось, что не мутациями едиными движима эволюция - есть и еще хитрости.
Например, бактерии оказались тоже не дуры и некоторые из них насобачились использовать свое умение обмениваться кусочками ДНК не только для размножения, но и для... поиска пропитания. Некоторые бактерии обзавелись отдельными кольцевыми молекулами ДНК, которые называются плазмидами, и эти плазмиды самой бактерии могут быть и не нужны ни для чего, но сами по себе, по собственной воле скачут из бактерии в бактерию. А могут быть и нужны. Есть такие агробактерии, которые паразитируют на растениях. Плазмиды этих агробактерий пролезают в клетки растения и внедряют в ДНК растения ген, который заставит растительную клетку вырабатывать что-нибудь, чем эта бактерия будет питаться. При этом некоторые растения умеют размножаться не только семенами, но и черенками, клубнями, отростками. И из зараженного клубня потом вырастет новое растение, которое уже несет в себе ген, притащенный плазмидой из агробактерии. И если самому растению от этого будет какая-то польза, то опять же профит для эволюции!
Или вот вообще вирусы. Они даже не живые толком, потому что сами расти и размножаться не могут, если не влезут в клетку носителя. Но влезают. И тоже встраиваются куда попало. Не все, конечно, встраиваются, некоторые так и продолжают болтаться внутри клетки в виде отдельного кусочка ДНК, но есть и те, которые путешествуют в виде не ДНК, а РНК. И вот они-то, попадая в клетку, с помощью фермента обратной транскриптазы из своей РНК синтезируют ДНК и встраивают ее в ДНК носителя. Такие вирусы называются ретровирусами - не потому, что они старинные, а потому что процесс транскрипции у них происходит в обратном направлении - "ретро". Не с ДНК в РНК, а с РНК в ДНК. И если такие вирусы заразят не только соматические, но и половые клетки носителя, то так и передадутся следующему поколению. И следующему, и следующему - а через сколько-то много поколений встроившийся вирус тоже может постигнуть мутация. И он тогда либо сдохнет и выключится, либо "приручится" и начнет делать что-нибудь полезное для организма-носителя. Когда особо упоротые креационисты начинают вещать, что не могли мы произойти от обезьян, биологи им в нос суют бронебойный аргумент: у нас и у шимпанзе на одних и тех же участках одних и тех же хромосом обнаружены остатки бывших ретровирусов, совершенно одинаковых. Ладно бы один-два, но их же много, десятки! Столько совпадений не бывает, значит, мы их унаследовали от общих предков. Кстати, есть версия, что мы такими умными стали в том числе благодаря одному незадачливому ретровирусу. Он притащил в организм носителя ген, необходимый для формирования ... плаценты! А сам потом разучился размножаться и остался частью генома млекопитающих. И фиг бы у нас такие большие мозги выросли, если бы не был возможен долгий период внутриутробного созревания плода, а это не получилось бы без плаценты. Вот так-то. Снова профит для эволюции.
Итак: случайные мутации, обмен участками ДНК между бактериями, горизонтальный перенос генов между организмами разных видов (от бактерий к растениям и т.п.), заражение вирусами и их "приручение", половое размножение с рекомбинацией хромосом у многоклеточных эукариот - и это еще не все! Есть и еще всякие смешные механизмы, которые так или иначе способствуют тому, чтобы потомки не оказывались идентичны своим предкам. Но на сегодня уже однозначно хватит. Устала. Хотела я еще про альтернативный сплайсинг рассказать, но чувствую, что уже не доберусь до этого никогда. Поэтому сейчас отступлю от изначальной затеи рассказывать все своими словами и тупо дам ссылку на простое и внятное объяснение, написанное специалистом. Кому любопытно - загляните. А я, как обычно, буду премного благодарна за комменты, особенно за вопросы.
Продолжение
[DW]
Часть 2, про устройство ДНК и почему у нас не растут руки из жопы и глаза на затылке.
У меня дилемма. Я, похоже, забежала вперед, замутила опрос про ГМО, и теперь по логике следовало бы разобраться с результатами этого опроса. А с другой стороны, прежде чем переходить к разговору о ГМО, я хотела поговорить о предпосылках для генной инженерии вообще. О том, что делает ее в принципе возможной. Но мысль-то уже убежала вперед! И разговор о базе мне самой уже кажется возвратом на шаг назад. Но обещала же. И без этого будет труднее врубиться в тему про ГМО. А интерес уже впереди. В общем, я застряла надолго и пришлось выждать, пока азарт не перестанет меня подталкивать к забегу впереди паровоза. В общем, я изрядно протормозила, потому что долго дожидалась собственного возврата в нужные кондиции. Кажется, сегодня наконец дозрела и сейчас расскажу обещанное - а потом уже про результаты опроса.
В прошлый раз я говорила, что основная задача ДНК в клетке - это старательно храниться и по возможности не портиться. Но это так только до тех пор, пока клетка не начнет делиться. Чтобы клетка поделилась, необходимо, чтобы все хромосомы (помним, что хромосомы - это просто способы упаковки молекул ДНК) в ядре удвоились, расползлись в разные стороны - и тогда две дочерние клетки получат одинаковые наборы хромосом, следовательно, одинаковые геномы. Если бы жизнь проектировал какой-нибудь высоколобый рационально мыслящий умник, он бы наверняка придумал бы способ, как копировать обе цепочки молекулы одновременно, продвигаясь в одну сторону вдоль спирали. Но, поскольку никакого рационального умника среди проектировщиков не нашлось, репликация ДНК происходит весьма хитровычученным способом.
С одной стороны все просто: цепочки нуклеотидов комплементарны друг другу, так что если их расцепить, то на базе каждой цепочки можно достроить соответствующую последовательность нуклеотидов - и вуаля. С другой стороны, вся эта химия устроена так, что ДНК-полимераза (фермент, который и занимается нанизыванием нуклеотидов) умеет ехать по цепочке ДНК только в одну сторону. Сейчас попробую объяснить так, чтоб понятно было. Во всех научно-популярных книжках, мультиках, лекциях и прочих материалах обязательно упоминается, что у молекул ДНК и РНК есть конец 3' и конец 5' - но ни разу нигде я не видела толкового объяснения, почему эти концы именно так называются. Поэтому, чтоб не запутаться самой и не запутать читателей, я как-нибудь на пальцах. Итак, цепочки комплементарны друг другу, следовательно, мы можем вообразить, что на конце одной цепочки находится пуговица. А на конце другой цепочки с той же стороны логичным образом должна находиться петелька. На другом конце молекулы то же самое: на одной цепочке петелька, а на второй пуговка. И вот ДНК-полимераза умеет ехать только по направлению от пуговки к петельке, а обратно - не может. Поэтому молекуле ДНК перед репликацией приходится расплетаться на две отдельные цепочки, на одну из них, где освободилась пуговка, ДНК-полимераза садится и едет без остановок прямо вперед, оставляя позади себя новенькую свежесплетенную двойную спираль. А на другой цепочке свободной оказалась петелька, на которую ДНК-полимераза сесть не может. Но не болтаться же ей одинокой до самого конца, пока пуговка не освободится! Этак на открытые водородные связи фиг знает что понавешается! Поэтому вторая цепочка тоже копируется сразу же - только по частям. Девочки, которых в школе на уроках труда шить учили, помнят разные виды ручных швов - один из них назывался "назад иголку". Вот именно таким вот швом "назад иголку" достраивание второй цепочки ДНК и происходит. Заскочили вперед, проехались обратным ходом, нанизывая нуклеотиды, спрыгнули, заскочили еще вперед до того места, докуда исходная молекула уже расплетена, проехались назад, надстраивая нуклеотиды до стыка с предыдущим надстроенным участком, снова спрыгнули и заскочили вперед - и так, пока не доберемся до конца с пуговкой. Изящная хитровывернутая кадриль получается. И все бы ничего, но при таком количестве прыжков и склеек на стыках повышается вероятность ошибок копирования, то бишь мутаций. Мало ли, чего там намутирует! А с другой стороны, кабы не мутации, не было бы эволюции, так что спасибо этому молекулярному рукоделию за то, что мы теперь такие, какие есть.
С мутациями вообще все любопытно: еще дедушка Дарвин высказал (подтвердившееся позднее) предположение, что эволюция видов происходит из-за того, что мелкие изменения в каждом следующем поколении подвергаются естественному отбору: полезные сохраняются и передаются дальше, а вредные устраняются вместе с носителем. И похоже на то, что на заре клеточной жизни так оно и было. Но вот представьте себе: у некой бактерии возникла полезная мутация, в результате которой поменялась одна буковка в одном гене, из-за этого синтезируемый с того гена белок тоже изменился: вместо одной аминокислоты оказалась воткнута другая. И вдруг этот новый белок оказался чертовски полезен, потому что как-то помогает переваривать больше типов органики из окружающей среды. Клевая мутация, благодаря которой эта бактерия сможет выжить, когда ее соседки начнут дохнуть от бескормицы. Другие сдохнут, а эта благополучно вырастет, поделится и даст начало новому штамму. Все бы ничего, но может оказаться так, что именно эта, получившая полезное преимущество бактерия жила на самом краю лужи, а лужа пересохла. Или именно ее слопала другая, более крупная бактерия. И все, и привет, вымрут все, полезная мутация исчезнет, не успев распространиться. Или еще хуже: у одной бактерии случились сразу две мутации, одна полезная и одна вредная. А поскольку бактерии могут только делиться и передавать свой геном целиком, то так эти мутации и будут передаваться дальше, склеенные вместе, пока условия не ухудшатся настолько, что вредная мутация станет фатальной. И опять привет, вымрут все. Надо что-то с этим делать...
Выход нашелся: оказалось, что у полезной мутации больше шансов распространиться среди потомков, если бактерии начнут обмениваться кусочками своего генома! Самый простой вариант - это сожрать останки дохлой товарки, но переварить не все, а какой-нибудь кусочек ДНК встроить себе. Правда, при этом потеряется кусочек своей ДНК - есть риск потерять как раз полезный кусок, а встроить именно ту фигню, из-за которой сдохла товарка. На это есть вариант посложнее: не просто терять свои куски, а отдавать их другим живым соседям взамен на их куски. Конечно, для каждой отдельной бактерии все равно остается риск приобрести фатальную гадость, но зато для всего вида однозначная польза, потому что при таком обмене кусочками мутации перестают быть сцеплены друг с другом намертво. Если повезет, то полезный кусочек ДНК окажется вырезан и передан дальше, а вредный останется и сдохнет. Скорость распространения полезных мутаций таким макаром сильно возрастает, благодаря чему ускоряется эволюция и вид лучше успевает приспосабливаться к окружающим условиям. Профит!
Для одноклеточных ребят, которые размножаются делением, это, пожалуй, наилучший выход. Но потом появились многоклеточные - и у многоклеточных появился еще более эффективный способ передавать полезные признаки дальше и отбраковывать вредные. Называется половое размножение. По-просту - секс. Выше я рассказала про то, как ДНК копируется для простого деления клетки, но ради полового размножения должны сформироваться особые половые клетки, в которых будет только один набор хромосом, чтобы потом две половые клетки слились в одну с обычным двойным набором. И если бы при этом клетка просто делилась, не удваивая хромосомы, то было бы тоже неплохо, но тогда дети наследовали бы родительские признаки сразу пачками: один набор в неизменном виде перекочевывал бы по отцовской линии, другой - по материнской. Именно так и происходит с Y-хромосомой, которая по отцовской линии передается целиком и почти без изменений, не считая мелких мутаций. Но раз уже даже тупые бактерии додумались до обмена участками ДНК между собой, то продвинутым многоклеточным эукариотам тем более грех отставать! И у нас есть рекомбинация. Перед формированием половых клеток (гамет) с одинарным набором хромосом в родительской клетке парные хромосомы подплывают друг к дружке, сливаются в экстазе и обмениваются кусочками. Причем границы этих кусочков никак не связаны с границами генов - мы запросто можем получить 1/4 какого-нибудь гена от папы и 3/4 от мамы. А в следующем поколении разрез придется на другой участок. Тоже, конечно, простор для ошибок и новых мутаций, но опять же, какие-то мутации могут оказаться и полезными! Снова профит для эволюции.
В общем, Дарвин был прав, это уже давно ясно. Вот только оказалось, что не мутациями едиными движима эволюция - есть и еще хитрости.
Например, бактерии оказались тоже не дуры и некоторые из них насобачились использовать свое умение обмениваться кусочками ДНК не только для размножения, но и для... поиска пропитания. Некоторые бактерии обзавелись отдельными кольцевыми молекулами ДНК, которые называются плазмидами, и эти плазмиды самой бактерии могут быть и не нужны ни для чего, но сами по себе, по собственной воле скачут из бактерии в бактерию. А могут быть и нужны. Есть такие агробактерии, которые паразитируют на растениях. Плазмиды этих агробактерий пролезают в клетки растения и внедряют в ДНК растения ген, который заставит растительную клетку вырабатывать что-нибудь, чем эта бактерия будет питаться. При этом некоторые растения умеют размножаться не только семенами, но и черенками, клубнями, отростками. И из зараженного клубня потом вырастет новое растение, которое уже несет в себе ген, притащенный плазмидой из агробактерии. И если самому растению от этого будет какая-то польза, то опять же профит для эволюции!
Или вот вообще вирусы. Они даже не живые толком, потому что сами расти и размножаться не могут, если не влезут в клетку носителя. Но влезают. И тоже встраиваются куда попало. Не все, конечно, встраиваются, некоторые так и продолжают болтаться внутри клетки в виде отдельного кусочка ДНК, но есть и те, которые путешествуют в виде не ДНК, а РНК. И вот они-то, попадая в клетку, с помощью фермента обратной транскриптазы из своей РНК синтезируют ДНК и встраивают ее в ДНК носителя. Такие вирусы называются ретровирусами - не потому, что они старинные, а потому что процесс транскрипции у них происходит в обратном направлении - "ретро". Не с ДНК в РНК, а с РНК в ДНК. И если такие вирусы заразят не только соматические, но и половые клетки носителя, то так и передадутся следующему поколению. И следующему, и следующему - а через сколько-то много поколений встроившийся вирус тоже может постигнуть мутация. И он тогда либо сдохнет и выключится, либо "приручится" и начнет делать что-нибудь полезное для организма-носителя. Когда особо упоротые креационисты начинают вещать, что не могли мы произойти от обезьян, биологи им в нос суют бронебойный аргумент: у нас и у шимпанзе на одних и тех же участках одних и тех же хромосом обнаружены остатки бывших ретровирусов, совершенно одинаковых. Ладно бы один-два, но их же много, десятки! Столько совпадений не бывает, значит, мы их унаследовали от общих предков. Кстати, есть версия, что мы такими умными стали в том числе благодаря одному незадачливому ретровирусу. Он притащил в организм носителя ген, необходимый для формирования ... плаценты! А сам потом разучился размножаться и остался частью генома млекопитающих. И фиг бы у нас такие большие мозги выросли, если бы не был возможен долгий период внутриутробного созревания плода, а это не получилось бы без плаценты. Вот так-то. Снова профит для эволюции.
Итак: случайные мутации, обмен участками ДНК между бактериями, горизонтальный перенос генов между организмами разных видов (от бактерий к растениям и т.п.), заражение вирусами и их "приручение", половое размножение с рекомбинацией хромосом у многоклеточных эукариот - и это еще не все! Есть и еще всякие смешные механизмы, которые так или иначе способствуют тому, чтобы потомки не оказывались идентичны своим предкам. Но на сегодня уже однозначно хватит. Устала. Хотела я еще про альтернативный сплайсинг рассказать, но чувствую, что уже не доберусь до этого никогда. Поэтому сейчас отступлю от изначальной затеи рассказывать все своими словами и тупо дам ссылку на простое и внятное объяснение, написанное специалистом. Кому любопытно - загляните. А я, как обычно, буду премного благодарна за комменты, особенно за вопросы.
Продолжение
[DW]