5-7. Центральный тезис вместо «центральной догмы»

Вскоре после понимания наследственной роли ДНК надолго утвердилась идея, что ДНК является «главной молекулой»: она может служить матрицей как для себя, так и для РНК, а РНК - для себя и для белка, тогда как ни белок, ни иные молекулы не могут служить матрицами ни для себя, ни для нуклеиновых кислот.

Верна ли она? Если понимать ее узко, как запрет «обратной трансляции», т.е. синтеза РНК на белковой матрице, то, вернее всего, Ra[11]. Ho обычно данную “догму" понимают широко - как главенство ДНК в биологии и как невозможность передачи наследственной информации иначе, нежели на нуклеиновых матрицах. А это уже неверно.

Легко видеть, что “догма” в широком понимании (а мы будем говорить только о нем) - утвердилась в умах как новая формулировка отрицания НПС, т.е. как форма отрицания дарвинизмом собственной активности генома. Ситуацию четко обозначил в 1968 году английский биоматематик- дарвинист Джон Мейнард-Смит:

«Огромное достоинство центральной догмы состоит в том, что она наконец прояснила, что должен делать ламаркист: он должен ее опровергнуть». Другими словами, центральная догма - презумпция, и опровержением ее откровенно предложено заняться тем, кто в нее не верит. К сожалению, среди ламаркистов не нашлось молекулярных генетиков, поэтому задачу пришлось решать людям, от проблем эволюции далеким.

Первые два удара по догме нанес американский вирусолог Дейвид Балтимор. В 1970 году он был одним из троих, открывших обратную транскрипцию, и ему же посчастливилось в 1982 году оказаться в паре, открывшей нематричный синтез ДНК.

тело), происходит сшивка фрагментов прежних генов, причем в точке сшивки в текст ДНК встраивается небольшой (в опыте Альта и Балтимора: кодирующий до 8 аминокислот) фрагмент, никакой матрицей не кодируемый и синтезируемый (как и встраиваемый) чисто ферментативно. Подробнее см. популярную статью [Чайковский, 2003].

Третий удар нанесло открытие наследственности без нуклеиновых кислот, от белка к белку. К 1973 году было уже известно, что центриоль (ор- ганелла внутри клеточной органеллы - центросомы, организующая полюс деления клетки), образуется от материнской центриоли без участия нуклеиновых кислот (Фрей-Вислинг А. Сравнительная органеллография цитоплазмы. М., Мир, 1976, с. 106). Однако данный факт оставался без всякого внимания лет 25, пока не были открыты прионы - белки, передающие инфекцию (до этого считалось, что инфекцию могут передавать только микробы и вирусы). Лишь теперь стало ясно, что в клетке

“существуют две категории матричных процессов: копирование последовательностей ДНК и РНК и копирование конформаций... некоторых белков. Своего рода матричное воспроизведение конформаций имеет место в таких процессах, как образование структур цитоскелета-*2..., воспроизведение ядерной мембраны... Эти механизмы могут лежать в основе так называемой эпигенетической наследственности/изменчивости” (Инге-Вечтомов С.Г. Прионы дрожжей и центральная догма молекулярной биологии // ВРАН, 2000, № 4, с. 305).

Главным же ударом по догме стало раскрытие феномена редактирования РНК: если теперь и можно говорить о “главной молекуле”, то ею оказалась РНК. Она играет центральную роль во всех клеточных процессах, в том числе и в качестве опорной структуры (в рибосомах), и в записи новой информации на ДНК.

В то же время ДНК инертна и выполняет только функцию хранения и передачи наследственной информации.

От «центральной догмы» не осталось ничего вне ее самого узкого смысла (запрета на обратную трансляцию), а в таком понимании она перестала быть центральной - независимо от того, существует ли обратная трансляция в природе или нет.

Редактирование РНК (и альтернативный сплайсинг как частный случай) может рассматриваться одновременно и в качестве активности генома, и в качестве акта внутриклеточного мышления.

Учтя сказанное в пп. 5-4 и 5-6, в качестве центрального тезиса молекулярной биологии, но никак не ее догмы (ведь хорошо известно, что любые

J Имеются в виду процессы вроде активного роста микротрубочек (см. п. 5-15).

явление антигена, и формируются отнюдь не только путем мутаций. Становится все более очевидно, что информация о строении антигена каким-то образом используется при формировании антитела, а если так, то надо говорить о собственной активности генома.

Теплокровные имеют все те виды иммунитета, что у растений и у других животных, плюс ТВ-систему, т.е. совершенный адаптивный (приобретенный) иммунитет. Она состоит из двух подсистем - одна генерирует T- клетки, связывающие антигены на своей поверхности (имеется в различных формах у всех позвоночных), а другая генерирует В-клетки, синтезирующие иммуноглобулины (есть в развитом виде только у теплокровных). Общее назначение иммунной системы видится как надзор за целостностью (п. 5-15), а в отношении борьбы с заразой надо знать, что Т-система борется с вирусами, а В-система - с бактериями.

Иммуноглобулины различаются вариабельной частью, она меняется от клетки к клетке и ответственна за то, что каждая клетка поражает один тип антигена. Рассмотрим один аспект работы одной подсистемы - синтез вариабельной части легкой цепи иммуноглобулина в В-клетке.

У зародыша млекопитающих совсем немного генов иммуноглобулинов около сотни. В ходе развития организма их разнообразие каждый раз создается заново (точно так же, как создается любой орган) создается путем комбинирования фрагментов существующих генов. Ho этого разнообразия оказывается мало, поэтому конкретное антитело обычно не выбирается из наличных, а создается в ответ на конкретную заразу (на антиген). В стрессовой ситуации, какую создает вторжение антигена, включается механизм перестройки иммуноглобулиновых генов: по каким-то не вполне еще понятным правилам генетическая система режет и сшивает фрагменты генов до тех пор, пока не найдет приемлемый вариант - тот, что синтезирует антитело, которое реагирует с вторгшимся антигеном. Найденный вариант клонируется (размножается из единственного родоначального экземпляра; клон - это бесполое потомство единственной особи).

Можно ли сказать, что она режет и сшивает случайно? Нет, нельзя (точнее см. далее, п. 5-18). Проблему стараются обходить, но уже сейчас одно надо прямо признать: тут налицо активность генома.

Механизм комбинаций работает, но грубо: поставляет антитела, связывающие антигены, но довольно слабо. Поэтому нужен еще один механизм - соматический гипермутагенез, который включается после создания нужной комбинации фрагментов. Заключается он в том, что при клонировании гены найденного варианта мутируют с огромной частотой (тут каждый тысячный нуклеотид заменяется, тогда как самопроизвольный точковый мутагенез в 100 млн раз менее интенсивен), так что порождается масса чуть отличных антител, различающихся одной аминокислотой или двумя, чем и достигается точная подгонка антитела к антигену. Конечный вариант снова

клонируется в качестве нормы (вот самый яркий пример давления нормы) и запоминается генетической системой, т.е. наследуется на время жизни особи (а иногда и долее).

В этом, грубо говоря, состоит «генетический принцип обеспечения разнообразия антител», за открытие которого получил в 1987 году нобелевскую премию Сусуму Тонегава-?-? (работа начата в Швейцарии, завершена в США).

“Когда Тонегава проводил свои опыты, царило убеждение, что каждый белок, каждая полипептидная цепь управляется своим геном, в отношении один к одному. Ho в то же время подсчет числа генов, кодирующих белки, в хромосомах человека дает число порядка ста тысяч генов. Они должны обеспечивать все белки тела — для гемоглобина эритроцитов, для пигмента в наших глазах и т.д. Только меньшая часть, быть может один процент, вероятно может быть использована для порождения антител. Около тысячи генов, способных породить миллиарды различных форм антител? Задача казалась неразрешимой”. И далее: “Тонегава ... открыл нечто совсем новое и революционное в генетике.” (Les Prix NobeI 1987. Stockholm, 1988, с. 25.)

Суть открытия в том, что ген может быть активно переделан в цитоплазме: возникшие при перестройках (собственно механизм Тонегавы) фрагменты сшиваются, причем с нематричными вставками (механизм Альта Балтимора), затем успешный вариант точно подгоняется к антигену (механизм гипермутагенеза), клонируется и запоминается (соматическое наследование). (Позже, в 1995 г., был открыт еще один этап - замена отдельных фрагментов [Стил и др., с. 112].)

Словом, гены антител образуются не за счет мутаций, как думали прежде, а путем четырехступенчатого процесса активности, в котором лишь одну ступень можно назвать мутагенезом, и то в особом смысле: он направлен - в том плане, что происходит только в нужных генах и в малом числе направлений, зато с неимоверной частотой.

Воздав должное такой разумности природы, Вигзел заметил:

“Каждую минуту наше тело производит миллионы белых кровяных телец, лейкоцитов. В каждом из них идет гибридизация ДНК, приводящая к созданию ее собственных, уникальных антител. Te, что не будут выявлены, быстро погибнут. Если, однако, они вступят в контакт с подходящими внешними структурами, они будут вознаграждены, допущены к размножению и проживут долго. После большой случайностной генной лотереи естественный отбор поддержит победителей...”. (Подчеркнуто мною.)

Сам Тонегава провел параллель с эволюцией еще более прямо: “Подобно организмам в экосистеме, эти лимфоциты — субъекты отбора антигенами, и приспособленнейший будет выживать. И... иммунную систему индивида можно видеть как своего рода Дарвинов микрокосм” (Les Prix Nobel 1987. Stockholm, 1988, с. 223).

Параллель с эволюцией налицо, и можно сказать больше: иммуногенез выступает как эволюционный эксперимент, как модель эволюции путем активности генома. Ho надо выяснить, при чем тут Дарвин.