Текст книги "Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир"

Глава 3. Гены и механика ДНК

Мы назвали ДНК кодограммой, но что именно она кодирует? Мы бросили взгляд на несколько белков из огромного множества тех, что способен производить организм, но чем определяется их набор? Ответить на оба вопроса нам поможет одно понятие – понятие гена: оно объединяет абстрактную идею биологической информации с физической реальностью биологических молекул. Как сильные, так и слабые стороны генов неразрывно связаны с физическими свойствами ДНК, белков и среды, в которой они существуют. Обсуждая генетические болезни, мы далеко не всегда вспоминаем о проблемах изгибания ДНК или укладки молекул в малые пространства, но скоро мы увидим, что такие неочевидные вопросы играют важную роль в изучении механики жизни. Самосборка в этой главе опять окажется на первом плане, поскольку ДНК и белки, например, должны соединяться для правильной упаковки генома. Вопросы предсказуемой случайности, масштабирования и регуляторных цепей тоже неизбежны в работе с нашим генетическим материалом, ведь клетки, организуя свою ДНК, постоянно решают проблемы размера, формы и беспорядка.

Что такое ген?

Как мы выяснили, белок – это последовательность аминокислот, соединенных химическими связями. Порядок аминокислот в цепи задается нуклеотидной последовательностью ДНК клетки. Одну аминокислоту кодирует группа из трех нуклеотидов (триплет). Так, в ДНК-последовательности TГГ закодированы инструкции для включения в цепь одной гидрофобной аминокислоты триптофана. Триплеты ЦГT и ЦГЦ соответствуют положительно заряженной аминокислоте аргинину. Таким образом, последовательность TГГЦГT указывает на триптофан, связанный с аргинином. Не существует, однако, механизма, напрямую переводящего инструкции ДНК в аминокислотные последовательности. Всегда необходим посредник – молекула РНК (рибонуклеиновой кислоты).

РНК, как следует из названия, похожа на ДНК. Это тоже цепочка из нуклеотидов четырех типов, три из которых (A, Ц и Г) аналогичны нуклеотидам ДНК, а четвертый (У, урацил) заменяет в РНК тимин (T). Белковая машина, называемая РНК-полимеразой, связывается с промо́торной последовательностью ДНК и перемещается по двойной спирали, как язычок замка-молнии, разделяя две нити и выстраивая по нуклеотидной последовательности одной из них, матричной, комплементарную цепочку РНК (см. рисунок)[21]21
  В отличие от упомянутой раньше ДНК-полимеразы, РНК-полимераза не нуждается в короткой нуклеотидной затравке (праймере) для начала синтеза и в ферментах-помощниках (хеликазах) для расплетания цепей ДНК.


[Закрыть]. Процесс копирования информации из формы ДНК в форму РНК называется транскрипцией – по аналогии с транскрипцией произносимых слов в текст или переводом рукописного текста в печатный.

РНК комплементарна матричной цепи ДНК и, следовательно, идентична ее партнерше, кодирующей цепи, за исключением урацилов, занявших в РНК места всех тиминов. Например, кодирующая цепь ДНК ATЦГTT, которой соответствует зеркально отраженная матричная цепь TAГЦAA, будет транскрибирована в РНК-последовательность AУЦГУУ. Другая клеточная машина, рибосома, транслирует РНК в белок. Рибосома движется вдоль РНК[22]22
  Разновидность РНК, которая служит шаблоном для синтеза белка, называется матричной или информационной: мРНК или иРНК.


[Закрыть], взаимодействуя с каждым триплетом (кодоном) и прикрепляя соответствующую аминокислоту к растущему белку (см. рисунок). Например, РНК-триплет УГГ кодирует триптофан, а последовательности ЦГУ и ЦГЦ – аргинин. Некоторые триплеты (УАГ, УГA, УAA) кодируют команду «стоп», которая сообщает рибосоме, что нужно прервать синтез белка и отсоединиться от РНК. Триплет AУГ, напротив, значит «старт».

Следовательно, тот или иной сегмент ДНК определяет, какой белок будет создан в ходе транскрипции, а затем трансляции. Поскольку ДНК передается от родителей детям через яйцеклетку и сперматозоид, каждый из таких сегментов обеспечивает наследственную передачу черт – показателей активности и иных свойств соответствующих белков. Так, ваша способность видеть цвет обеспечивается тремя разными белками, каждый из которых реагирует на свет определенной длины волны и производится в одном из трех типов колбочек в вашей сетчатке. Возникновение отличий хотя бы в одном триплете, кодирующем одну аминокислоту из приблизительно 350 в составе каждого из этих белков, может привести к небольшим, но ощутимым отклонениям в цветовосприятии. В более радикальных случаях, когда полностью теряется участок ДНК, кодирующий тот или иной светочувствительный белок, развивается одна из форм дальтонизма¹.

Можно подумать, что сегменты ДНК, кодирующие белки, мы и называем генами. Это почти, но не совсем так.

Клетки должны не только определять, какой репертуар белков им нужно создавать, но и контролировать, когда и в каком количестве их производить. Некоторые участки ДНК не кодируют белковые последовательности, а влияют на считывание других сегментов механизмами транскрипции и трансляции. Например, белки из класса факторов транскрипции могут прикрепляться к промотору возле начальной точки работы РНК-полимеразы, уменьшая или увеличивая вероятность того, что полимераза займет нужное место и начнет транскрипцию. Мы уже видели такой пример, когда рассматривали рецептор глюкокортикоидных гормонов. Другой вариант: участок ДНК может транскрибироваться в РНК без последующей трансляции в белок, и сама эта РНК способна взаимодействовать с ДНК или с другими РНК, оказывая влияние на синтез белков. РНК участвует в регуляции жизнедеятельности клетки множеством способов, в которых мы начали разбираться совсем недавно и повысили в итоге статус РНК с простого посредника между ДНК и белком до критически важного участника этих молекулярных «переговоров». Так, чувствуя голодание, клетки производят РНК под названием GAS5 (транскрипт 5, специфичный для остановки роста), которая прикрепляется к ДНК-связывающей области глюкокортикоидного рецептора и таким образом препятствует его взаимодействию с мишенью: структурное сходство с ДНК позволяет РНК служить обманкой².

Регуляция процессов, в ходе которых генетическая информация трансформируется в те или иные молекулы, важна не менее, чем сама эта информация, и тоже попадает в определение гена: ген – это отрезок ДНК (за редким вирусным исключением), кодирующий какую-либо наследственную характеристику, обычно соответствующую одному белку или молекуле РНК, и включающий в себя некодирующие регуляторные последовательности. Это громоздкое определение, к тому же постоянно меняющееся, но жизнь и не обязана соответствовать нашему стремлению к простой терминологии. Ситуацию осложняет и то, что термин «ген» по старинке часто трактуют только как белок-кодирующий сегмент ДНК. В этой книге я постараюсь быть максимально точным и понятным. К счастью, вопрос, к которому мы подошли, достаточно прост.

Сколько у вас генов?

Теперь мы научились читать геномы любых организмов, то есть устанавливать их полные нуклеотидные последовательности. Поскольку мы умеем выявлять промоторные последовательности, которые велят транскрипционной машине начинать работу, и последовательности-терминаторы, приказывающие ее заканчивать, мы можем посчитать число генов в геноме того или иного организма. В бактериальной клетке их несколько тысяч, и каждая бактерия способна конструировать тысячи разных белков. В геноме бактерий, вызывающих туберкулез и холеру, примерно по 4 тысячи генов, около 98 % из которых кодируют белки³. Геном болгарской палочки – подвида Lactobacillus delbrueckii, часто применяемого для превращения молока в йогурт, – содержит менее 2 тысяч белок-кодирующих генов⁴.

В человеческом геноме около 20 тысяч генов, кодирующих белки. Точно установить число так называемых некодирующих генов, производящих нетранслируемые РНК, сложнее, но предполагают, что их примерно столько же⁵. Не спешите, впрочем, задирать перед бактериями нос: наше превосходство нельзя назвать сногсшибательным, если учесть, что при кажущейся колоссальной разнице в сложности организмов разница в фактическом числе наших генов менее чем десятикратная. Более того, нас нельзя назвать особенными даже среди эукариот (организмов, клетки которых хранят свой наследственный материал в окруженном мембраной ядре). Около 20 тысяч белок-кодирующих генов насчитали в геноме домашней лошади, обычной домовой мыши и даже шпорцевой лягушки Xenopus tropicalis. У некоторых организмов генов меньше. Плодовая мушка Drosophila melanogaster и гриб Schizophyllum commune имеют примерно по 13 тысяч белок-кодирующих генов, а сапсан – около 16 тысяч. У хлебной плесени Neurospora crassa их около 10 тысяч, а у почвенной амебы Dictyostelium discoideum – около 13 тысяч. Однако есть и организмы с гораздо большим числом генов, чем у нас. ДНК крошечной дафнии Daphnia pulex, почти прозрачного ракообразного длиной не более миллиметра, кодирует 31 тысячу белков, и это пока рекорд среди животных с прочитанным геномом. Рис имеет около 30 тысяч белок-кодирующих генов, а кукуруза вообще обошла нас вдвое с почти 40 тысячами генов белков и десятками тысяч некодирующих генов⁶. Иными словами, число генов очень мало говорит нам о сложности организмов и их способностях.

Насколько велик ваш геном?

Мы рассматривали ваш геном как базу данных из 20 тысяч белок-кодирующих генов, но это еще и физический объект – последовательность нуклеотидных пар A-T и Ц-Г, которые представляют собой ступеньки винтовой лестницы ДНК, занимающие физическое пространство. Давайте сначала рассмотрим нуклеотиды, а затем – само пространство. Ваш геном состоит примерно из 3 миллиардов спаренных нуклеотидов. Бактериальные геномы куда скромнее и обычно не превышают нескольких миллионов пар нуклеотидов (п. н.). У возбудителей туберкулеза и холеры, например, по 4 миллиона п. н., а у L. delbrueckii – около 2,3 миллиона. Но люди не особо выделяются и по этому параметру. Геном мыши сравним по размеру с вашим, а геном плодовой мушки примерно в 25 раз меньше. Меньше и геном риса: всего около 430 миллионов п. н. (Если это кажется вам странным – ведь у риса же так много генов, – не переживайте, вскоре мы к этому вернемся.) Зато особенно велики геномы саламандр, включающие от 14 до 120 миллиардов п. н. ДНК двоякодышащих рыб состоит из 130 миллиардов п. н., а геном растения Paris japonica – из колоссальных 150 миллиардов, то есть он в 50 раз больше человеческого и, вероятно, может считаться рекордсменом по размеру. Казалось бы, его превосходит геном одноклеточной амебы Polychaos dubium, составленный из 670 миллиардов п. н., но это спорное число, поскольку определялось устаревшими методами. (Я поражен, что никто еще не пересмотрел ДНК этого существа. Если вы читаете эти строки и располагаете свободным временем с секвенатором в придачу – дерзайте!) Как и в случае с числом генов, прямой связи между размером генома и сложностью организма не прослеживается⁷.

Считая гены и оценивая размеры геномов, мы обнаруживаем удивительную вещь. Как мы отметили, у человека 3 миллиарда пар нуклеотидов и около 20 тысяч генов, кодирующих уникальные белки. Размеры белков сильно варьируют, но в среднем человеческий белок содержит примерно 400 аминокислот, каждая из которых определяется тремя нуклеотидами ДНК. Следовательно, для создания 20 тысяч уникальных белков необходимо около 20 000 × 400 × 3 = 24 000 000 п. н. Но в человеческом геноме не 24 миллиона спаренных нуклеотидов, а 3 миллиарда. Этот геном в 100 с лишним раз больше содержащейся в нем белок-кодирующей ДНК! Так сложилось, что мы узнали длину человеческого генома раньше, чем его нуклеотидную последовательность и число генов в нем, и столь малое количество белок-кодирующих генов по сравнению с ожидаемым от генома такого размера стало для нас сюрпризом. У риса разница не столь велика, но все равно достигает порядка. Как правило, бо́льшая часть генома непосредственно не кодирует белки. Что же тогда она делает? Во многом это остается загадкой до сих пор. Некоторые участки генома транскрибируются в РНК, но потом не транслируются в аминокислотные цепочки. К ним относятся, как отмечалось раньше, независимо работающие молекулы РНК, а также сегменты РНК, которые вырезаются в ходе сплайсинга из транскрипта, синтезированного РНК-полимеразой, до его трансляции рибосомой. Впрочем, значительная часть некодирующей ДНК даже не транскрибируется в РНК, но может влиять на считывание генов, например, формируя места вроде промоторов.

Прежде чем углубиться в тему избыточности генома, давайте получше проработаем его физическую сторону. В начале этого раздела мы спросили: «Насколько велик ваш геном?» – и дали биологически точный, но физически неудовлетворительный ответ: в нем 3 миллиарда спаренных нуклеотидов[23]23
  Указанные 3 миллиарда п. н. – это средний размер гаплоидного генома, то есть содержимое гаплоидного набора хромосом: 22 аутосом и одной половой хромосомы, X или Y. По актуальным на 2023 год данным, гаплоидный геном женщины состоит из 3 054 815 472 п. н., мужчины – из 2 963 015 935. ДНК в составе митохондрий добавляет каждой клетке еще 16 569 п. н. Клетки человека, за исключением половых, содержат двойной (диплоидный) набор хромосом, а значит, 6 миллиардов п. н.


[Закрыть]. Но насколько же он большой? Если вытянуть каждую из двух копий вашего генома, содержащихся почти во всех ваших клетках, в одну линию, длина этой линии достигнет метра. Диаметр клеточного ядра, где хранится ДНК, составляет всего несколько микрометров (миллионных долей метра).

Ваши клетки умещают метр ДНК в пространство, которое занимает одну тысячную одной тысячной этой длины. Не удивительно ли это? Такой вопрос, возможно, кажется вам глупым – само собой, удивительно. Однако я могу смотать 50 метров пряжи в клубок диаметром несколько сантиметров, и это никого не удивит. Здесь все упирается в механику – в жесткость ДНК: на что она похожа больше – на пряжу или на сталь? (Надеюсь, вы удивились бы, смотай я 50 метров оплетенного стального кабеля в клубок диаметром несколько сантиметров, даже если бы кабель был не толще нитки.)

Сгибается ли ДНК?

Оценка жесткости материалов – отдельная тема, грозящая погрузить нас в глубины материаловедения и отвлечь от биофизики. К счастью, существует концептуально простая модель жесткости полимеров – длинных молекул-цепочек, – которая позволяет нам судить о размере генома. Представьте три отдельные нити разной жесткости, одинаковые по длине при распрямлении, но в свободном состоянии склонные сворачиваться в аморфные клубки.

Интуитивно мы понимаем, что самая расправленная нить, состоящая из протяженных участков плавных изгибов, будет наиболее жесткой (на рисунке она левая). А нить, скрученная туже остальных (правая), скорее всего, окажется самой мягкой.

Давайте оценим протяженность, на которой молекула кажется прямой, – иными словами, то типичное расстояние, которое нам нужно пройти по нити, прежде чем окажемся лицом в другую сторону. Это расстояние тем больше, чем жестче молекула. Представьте, что муравей бежит по сухой макаронине: направление его движения со временем особо не меняется. Для такой макаронины типичная длина прямолинейного участка очень велика. Теперь представьте вареную макаронину, брошенную на стол. Муравей бежит по ней, часто петляя и поворачивая, а следовательно, длина прямых участков в этом случае, вероятно, не превысит и пары сантиметров.

Теперь мысленно разобьем естественно извитую молекулу на прямолинейные участки, длина каждого из которых соответствует типичной протяженности прямых в этой молекуле, и соединим их узлами, случайно задающими направление соседних отрезков (см. рисунок).

У нас получилось то, что физики и математики называют случайным блужданием. Представьте человека, который делает шаги в совершенно случайном направлении: один – на север, другой – на юго-запад, следующий – на северо-запад и так далее. Казалось бы, пытаться предугадать, где случайно блуждающий человек окажется после нескольких шагов, – совершенно пустая затея, ведь направление каждого шага случайно. Спрогнозировать движение отдельного блуждающего действительно невозможно. Но если представить множество случайных блужданий или понаблюдать за множеством случайно блуждающих, средний результат будет вполне определенным: после 25 шагов случайно блуждающий человек окажется в среднем в 5 шагах от исходной точки; после 49 шагов – в 7 шагах; после 100 – в 10; а после N шагов – в числе шагов, равном квадратному корню из N. (Это справедливо как для более привычного людям блуждания в двух измерениях, так и для блуждания в трех измерениях – например, если не шагать, а плавать.)

Случайные блуждания возникают в бесчисленном множестве ситуаций. Экономисты видят их в стремительных взлетах и падениях фондовых рынков. По типу случайных блужданий часто моделируют траектории плавающих бактерий и пути распространения случайных мутаций в популяции. Подобных примеров мы находим все больше и больше. Эти траектории – классический сюжет в обсуждении прогнозируемой случайности, поскольку надежные усредненные характеристики здесь сосуществуют с волей слепого случая. Кроме того, случайные блуждания, которым свойственна странная зависимость пройденного расстояния от количества шагов, позволяют нам познакомиться с масштабированием. Как мы узнаем во второй части книги, физические характеристики не обязательно увеличиваются пропорционально размеру: подобно упомянутому квадратному корню, между ними часто возникают неожиданные зависимости.

Если рассматривать конформацию ДНК абстрактно, в виде случайного блуждания, наш вопрос о жесткости молекулы преобразуется в вопросы о длине «шага» и количестве «шагов». На визуализациях двойная спираль ДНК кажется прямой на отрезке длиной около 100 нанометров (это десятая часть миллионной доли метра). Иными словами, если схематично изобразить молекулу ДНК с помощью отрезков и спросить, какой длины они должны быть, ответом будет 100 нанометров. (В науке прямые участки полимеров, характеризующие гибкость цепи, называются сегментами Куна в честь швейцарского химика Вернера Куна, и их длину можно рассчитывать по математическим формулам.) Для понимания масштаба отмечу, что ширина (диаметр) двойной спирали составляет примерно 2 нанометра, а длина участка, на котором лесенка ДНК совершает полный оборот (длина витка), слегка превышает 3 нанометра, то есть для такой изящной спирали сегмент Куна у ДНК довольно велик.

Итак, мы можем представить 1 метр ДНК в виде 10 миллионов прямых «шагов». Получается, чтобы ответить на вопрос, насколько же большим будет этот метр ДНК, отпущенный в свободное плавание в клеточной среде, нам нужно понять, какое расстояние покроет случайное блуждание из 10 миллионов шагов по 100 нанометров каждый. Простое вычисление даст ответ: около 0,3 миллиметра, или 300 микрометров. (Это квадратный корень из 10 миллионов, или примерно 3000 шагов, умноженные на длину шага в 100 нанометров.) Полученное число гораздо больше, чем диаметр ядра, не превышающий нескольких микрометров, и даже больше, чем диаметр типичной клетки человека, составляющий от 10 до 100 микрометров.

Здесь вы могли бы возразить, что ваш геном – это не единая неразрывная нить, а массив ДНК, разбитый на 23 хромосомы. (Почти все ваши клетки содержат 46 попарно сгруппированных фрагментов каждой из двух копий вашего генома. Есть и исключения: в яйцеклетках и сперматозоидах хранится лишь одна копия, а в эритроцитах млекопитающих и вовсе нет ДНК.) Конечно, фрагментация упрощает задачу пространственной упаковки ДНК, но не настолько: 1-я хромосома человека, крупнейшая из всех, состоит из 249 миллионов п. н., что соответствует длине примерно 8,5 сантиметра и размеру пятна случайного блуждания (по сути, клубка) около 90 микрометров – а это по-прежнему гораздо больше клеточного ядра. Чтобы было легче сопоставить размеры, я изобразил типичную человеческую клетку с ядром внутри и произвольные клубки ДНК метровой и 8,5-сантиметровой (как в 1-й хромосоме) длины.

Вообще-то упаковка ДНК должна нас восхищать – но не из-за длины человеческого генома, а из-за жесткости, делающей ДНК неподатливой для заточения в клетку. Пространство, в которое должна упаковываться молекула, гораздо, гораздо меньше того пространства, которое она заняла бы, плавая свободно в водном мире.

Упаковка ДНК

ДНК внутри ядер наших клеток не предоставлена самой себе, как макаронина или случайный блуждающий, и не утрамбована, как одежда в наскоро собранном чемодане, а изящно и компактно упакована. Значительная часть нашей ДНК намотана на маленькие катушки диаметром около 10 нанометров, состоящие из белков гистонов.

Но 10 нанометров – это существенно меньше, чем сегмент Куна у ДНК, поэтому для наматывания ДНК на катушки прикладывается большая сила, порождаемая главным образом электрическим притяжением между отрицательно заряженной ДНК и положительно заряженной внешней поверхностью гистонов. Расположение положительно заряженных аминокислот соответствует периодичности бороздок двойной спирали, что предельно увеличивает электрические силы. И снова мы наблюдаем самосборку в действии: физические характеристики ДНК и гистонов, особенно их заряд и форма, позволяют им выстраивать четко определенную рабочую структуру. На каждой катушке намотаны около 150 п. н. почти в два витка, длина ДНК между катушками колеблется от 20 до 90 п. н., и за всей этой конструкцией закрепилось выразительное название «бусины на нитке»⁸.

Далее эти бусы укладываются в петли и компактизируются дополнительно. Ученые долгое время пытались вычислить их конечную форму, основываясь на данных экспериментов, в которых, как правило, извлекали ДНК из клеток либо консервировали клетки с помощью фиксаторов. Самая популярная версия предполагала, что ДНК-белковые бусы формируют волокна толщиной 30 нанометров, а затем эти волокна собираются в тяжи диаметром от 120 нанометров. Но недавно ученые под руководством Клоды О'Ши из Института Солка при Калифорнийском университете в Сан-Диего разработали метод маркировки ДНК без повреждения ядер, который позволяет метить ДНК атомами металла, легко различимыми под электронным микроскопом⁹. Этот метод выявил вместо ожидаемых волокон преимущественно свободные цепочки диаметром от 5 до 24 нанометров. Более того, цепочки оказались в разной степени закрученными либо прямыми в зависимости от того, делились клетки или нет. Возможно, упаковка ДНК менее однородна и более динамична, чем считалось ранее.

Виртуозное сворачивание ДНК внутри клеток – больше чем простое интеллектуальное упражнение. Экспрессия генов – транскрипция того или иного участка ДНК в РНК с возможной трансляцией в белки – сильно зависит от упаковки и организации ДНК. Области ДНК, намотанные на гистоновые катушки либо уплотненные как-то иначе, относительно недоступны для механизмов декодирования генетический информации. Один и тот же ген может быть «включен» или «выключен» в зависимости от сложности его обнаружения. Иными словами, упаковка ДНК влияет на ее функции, и физическая организация этой молекулы служит мощным инструментом регулирования деятельности клетки. Широчайший спектр заболеваний – от нарушений нервно-психического развития и редких аутоиммунных болезней до расщепления нёба – обусловлен некорректной упаковкой ДНК¹⁰, а вовсе не изъянами в генах, кодирующих важные для нервной системы, иммунитета или скелета белки. Часто подобные нарушения связаны с дефектами белков, которые модифицируют гистоны[24]24
  И расщелину нёба, и нарушения нервно-психического развития в рамках синдрома Х-сцепленной умственной отсталости (по типу Сидериуса) вызывают, в частности, мутации гена PHF8. Этот ген кодирует белок, который удаляет метильные группы с лизина, входящего в состав гистонов.


[Закрыть], повышая или понижая их аффинность друг к другу или к ДНК – например, за счет изменения заряда.

В последние два десятилетия ученые выяснили, что факторы, определяющие, какие области генома наматываются на гистоны, заложены в самой последовательности ДНК и отчасти обусловлены механическими свойствами двойной спирали¹¹. Как мы знаем, длина относительно прямых сегментов ДНК составляет около 100 нанометров. Показатель жесткости в некоторой степени зависит от последовательности нуклеотидов, то есть «букв» A, Ц, Г, T. Одни группы нуклеотидов обладают меньшей жесткостью, чем другие, или в силу своей формы склоняют цепь к легкому изгибу. В той ДНК, которая в итоге оказывается в составе нуклеосом[25]25
  В грубом приближении вещество хромосом, хроматин, состоит из череды нуклеосом – ДНК, намотанной на бусины/катушки из восьми молекул коровых гистонов. Свободная ДНК между нуклеосомами, линкерная, на входе в нуклеосому и выходе из нее связана с отдельным линкерным гистоном. Комплекс нуклеосомы с линкерным гистоном называется хроматосомой.


[Закрыть], эти более изогнутые или гибкие области, как маленькие шарниры, обычно располагаются через 10 нуклеотидов друг от друга. Длина витка двойной спирали тоже составляет 10 нуклеотидов: поднимись вы по винтовой лестнице ДНК на 10 ступенек, окажетесь лицом в ту же сторону, что и в исходной точке. Это значит, что все шарниры ориентированы в одном направлении и каждый фрагмент ДНК загибается к гистонной катушке. Анализ связывания ДНК с гистонами показывает, что последовательности без таких повторяющихся нуклеотидных пар реже оказываются намотанными. Таким образом, сама нуклеотидная последовательность кодирует механическую информацию о том, как именно она должна быть упакована. ДНК – молекула поистине экстраординарная, искусно совмещающая кодирование и механической, и биохимической, и генетической информации!

Архитектура нуклеосом и волокон ДНК вводит нас в обширную тему регуляторных схем, с помощью которых клетки контролируют свою активность, включая и выключая гены. В четвертой главе мы познакомимся с другими стратегиями принятия решений, реализуемыми по более быстрым и сложным схемам.

Вирусы, набитые ДНК

Задачу по ужатию ДНК в ограниченном пространстве решают не только ваши клетки. Ни один из живых организмов не позволяет ДНК свободно укладываться в виде случайно блуждающей цепи. Это актуально даже для не совсем живой природы: плотнее всего ДНК упакована в вирусах, маленьких капсулах генетического материала, которые заражают живые клетки и завладевают их механизмами репликации. Не все вирусы содержат двухнитевую ДНК, у некоторых геном представлен однонитевой ДНК либо даже одно– или двухнитевой РНК. Обладатели двухнитевой ДНК, к которым относятся вирусы герпеса и оспы, вынуждены упаковывать эту жесткую молекулу в белковую оболочку (капсид) диаметром всего несколько десятков нанометров, что опять же меньше сегмента Куна для двойной спирали ДНК. (Двухнитевая РНК даже жестче двухнитевой ДНК, а вот одиночные нити что ДНК, что РНК куда более гибкие.)

У вируса с двухцепочечной ДНК изогнутый, стиснутый полимер давит на капсид, пытаясь расправиться. Когда капсид открывается – например, в момент заражения клетки, – это внутреннее давление помогает протолкнуть ДНК в клетку-мишень. Можно ли измерить давление сжатой ДНК? Представьте, как закрытый капсид открывается и ДНК вырывается наружу. Теперь представьте, как капсид сжимается со всех сторон под внешним давлением и затем открывается. Если наружное давление меньше внутреннего, ДНК все равно выйдет наружу. Если же наружное давление больше, ДНК останется внутри. Изменяя внешнее давление и наблюдая, выходит ли при этом ДНК, можно определить давление внутри вирусной частицы (вириона).

Представить описанное несложно, однако на практике не обойтись без хитроумных трюков, один из которых около 15 лет назад применила команда Уильяма Гелбарта из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Естественное открытие капсида запускается, когда вирус встречается с особыми белками на поверхности клетки-мишени. Добавляя эти белки в пробирку с вирусными частицами, открывать капсиды можно «по требованию». Вирионы рассеяны в водном растворе. При добавлении в раствор крупных молекул растет осмотическое давление: это несколько напоминает бомбардировку вируса всеми молекулами, плавающими вокруг него, и действует на него, как то гипотетическое сжатие капсидов. Изменяя осмотическое давление и открывая капсиды с помощью белков, ученые зафиксировали внутри вирусов давление в десятки атмосфер¹². (Для сравнения: давление воздуха в автомобильной шине составляет около двух атмосфер.) Чтобы лучше прочувствовать масштаб механического подвига вирусов, биофизик Роб Филлипс советует представить, как почти 500 метров стального троса с моста Золотые Ворота заталкивают в кузов фургона FedEx. Такое гигантское внутреннее давление полезно для вируса тем, что помогает ему внедрять ДНК в клетки-мишени, где она реплицируется и запустит производство новых вирусов.

Невозможно постичь ДНК, не разобравшись в ее физических характеристиках. Форма, структура и механика неразрывно связаны с биологической функцией. Это утверждение верно не только для ДНК, но и для всех биомолекул в природе – биофизика постоянно имеет дело с такими зависимостями. В следующей главе мы вернемся к вопросу о том, как удивительно малое число генов может управлять процессами, которые делают вас вами, и узнаем, как гены включаются и выключаются – под действием внешних факторов или других генов, – создавая сеть взаимодействий, опять же неотделимую от осязаемых, физических проявлений молекул жизни.