Логика двойной спирали ДНК

Острые коллизии начинались с первых же кадров. Здесь была борьба и гибель, непостижимые сложности взаимоотношений и все перечеркивающие конфликты, из которых нет уже иного выхода, кроме смерти. И во всем этом — ни тени домысла, преувеличения. Только жизнь — оголенная и бесхитростная, зарождающаяся и угасающая на уровне бессознательного. Ибо такова жизнь клеток. Фильм демонстрировался впервые. И в зале сидели в основном цитологи, физиологи, цитогенетнки. Многое из того, что происходило на экране, было им хорошо знакомо. Но обычно им приходилось наблюдать лишь отдельные этапы этих событий. Для глаза, вооруженного только микроскопом, картины рождения и умирания, роста и взаимодействия клеток неуловимы, медленны. Но перенесенные на экран в многократном ускорении, они выплеснулись на него — безудержные.

И когда в полутьме зала зазвучал негромкий голос, дающий пояснения к фильму, кинокадры начали обретать почти сюжетную стройность. Профессор Мажуга все время привлекал наше внимание к деталям, к тонкостям разворачивающегося там действия:

— Лимфоциты, развиваясь рядом с ретикулярными клетками и макрофагами, постоянно стремятся сблизиться с ними…

Юркими черными жучками окружили лимфоциты серое аморфное тело макрофага. Они скользят вдоль него, льнут к нему.

И прозвучавшее только что слово «стремятся» вдруг оказывается поразительно точным. Я ловлю себя на мысли, что движение клеток пугающе одухотворено, в нем чудится цель и осознанность. Умирают клетки тоже по-настоящему: не желая этого, сопротивляясь и тревожно пытаясь вернуться к движению, медленно угасая.

Да, конечно, я знаю: трепещущие в светящемся прямоугольнике клетки — не откровение. Экспериментаторы не раз уже прибегали к методу экранного подстегивания клеточной жизни. Но стоило поставить новые вопросы, и объектив нацелился на то, что прежде оставалось вне поля зрения, а экран заговорил о неведомых ранее событиях, подсмотренных в живой материи.

О том, как бесконечно зависимы лимфоциты от своих собратьев по лимфоидной системе — ретикулярных клеток и макрофагов, как они постоянно подкармливаются рядом с этими пожирателями всех веществ и микроорганизмов, попадающих в организм извне и представляющих для него опасность, и, наконец, как сами лимфоциты становятся главной ударной силой иммунных реакций и, превратившись в так называемые плазматические клетки, производят на свет антитела, известные своей непримиримостью ко всему инородному.

А за суетой зыбких связей, бесконечных передвижений, драматических столкновений — судьбы отдельных клеток. Это уже иной тематический пласт. Но он тоже предусмотрен создателями фильма. Для них жизненный путь клеточного индивидуума — канва, по которой прослеживаются всевозможные перевоплощения клеток. А это как раз то главное, к чему приковано их внимание вот уже много лет — еще с того давнего времени, когда доктор биологических наук П. М. Мажуга только начинал свои исследования в Институте зоологии, где возглавил отдел цитологии и гистогенеза. Вот тогда-то и была задумана целая серия наблюдений за жизнью и поведением клеток.

От этих исследований ждали многого. Но был вопрос вопросов — с него все начиналось, к нему все сводилось. Как происходит специализация клеток? Каким образом они — сначала все одинаковые, обезличенные, на каком-то этапе становятся клетками сердца или клетками мозга, научаются вырабатывать гормоны или защищать организм от чуждых ему веществ? Ведь у истоков организма, в зародыше, все клетки одинаковы. И несут они одну и ту же генетическую информацию. В ней полный набор сведений о той уникальной живой конструкции, в которую безликим крупицам жизни еще только предстоит сложиться.

Но вот, словно подчиняясь четкому приказу, клетки зародыша начинают видоизменяться. Каждое новое поколение оказывается более специализированным, более подготовленным для выполнения каких-то конкретных, ограниченных обязанностей. При этом каждая группа реализует лишь небольшую часть заключенной в них информации. И все они, оказывается, знают, какой же кусочек генетической инструкции предназначен именно для них. Они считывают его, формируя свою архитектуру и готовя себя к работе в конкретных органах. Одновременно они движутся в поисках своих будущих соседей. И никакие силы не могут уже изменить дальнейшего хода событий: кучки однотипных клеток объединяются, готовые стать определенной тканью.

Непостижимый, ошеломляющий механизм! Именно он превращает комок живой плоти в организм. Именно благодаря ему биологические процессы венчаются самым изумительным таинством природы — рождением индивидуальности. Но и потом, в уже сформировавшемся организме, продолжают действовать загадочные силы, обеспечивающие распределение обязанностей между клетками.

«Связать воедино события на клеточном уровне и сложные явления, с которыми мы сталкиваемся на уровне организма». Это, пожалуй, самая бесспорная теза в биологии наших дней. Сформулировал ее один из популярнейших современных генетиков Д. Уотсон. Но бесспорность цели далеко не всегда подразумевает четкое видение всех ведущих к ней путей. Ясно только: таких путей много. Профессор Мажуга и его коллеги пошли одним из них — они среди тех, кто задался целью постичь загадку дифференциации.

Время, обведенное вокруг пальца

ДНК их замучила. Ко всему причастная, она оставалась почти законспирированной в клетке. Они знали о ней намного меньше, чем, скажем, о белках, все свойства которых предопределены ею, ДНК. Это она передает белку закодированные указания, каким ему быть, что делать в организме. И конечно же, именно ей принадлежит режиссура в тех качественных перевоплощениях, которые претерпевают клетки в ходе дифференциации.

Помню деление клетки, каким увидела его на экране. Почти правильный овал начинает деформироваться, растягиваться и медленно расходиться. И вот уже две новые клетки со своим умением работать в данном, точно определенном месте организма вливаются в сонм других, уже работающих.

Этот, в общем-то не поражающий воображения процесс — главный двигатель жизни. Без него не было бы развития как биологического явления. Но произойти он может только в том случае, если его подготовит ДНК.

В цитологической лаборатории мне рисовали простенькую схему жизненного цикла клетки — кольцо, разделенное на несколько отрезков. Один из них — это время деления, митоза. Рядом два других отрезка, побольше, — предмитозный и послемитозный этапы клеточной жизни.

В предмитозном периоде клетка готовится к делению, митоз удваивает свой материал. А предшествует этой процедуре самокопирование, или, как еще говорят, репликация ДНК: двойная спираль постепенно расходится на две цепочки, вдоль каждой из которых строится дополняющая ее пара.

Итак, вместо одной макромолекулы ДНК образовалось две, точно такие же, как исходная. Вот теперь-то начинается митоз. Эта жесткая зависимость срабатывает безотказно: сначала репликация ДНК и только потом митоз.

Но вот остался позади и акт деления. Казалось бы, конец сложностям: дочерние клетки вступают в период, когда все в жизни клетки должно повторяться вновь и вновь, работа и деление, снова работа и деление.

«Не ищите в истине простоту», — предостерегали древние. Особенно безнадежно искать ее в биологических истинах, демонстрирующих время от времени прямо-таки изысканные сложности. На этот раз сюрприз преподнесли клетки, которые почему-то не «по правилам» распоряжались временем, отведенным им на послемитозный период. Когда экспериментаторы обнаружили, что именно при этом происходит, они — в который уже раз! — удивленно развели руками. А американский цитолог Д. Мезия с очень серьезной интонацией констатировал: «Они обводят вокруг пальца время!».

Примерно половина клеток каждого поколения нарушает геометрическую стройность схемы. Вместо того, чтобы приступить к подготовке нового деления, они надолго углубляются в работу.

Но важнее всего то, что именно они и только они становятся работающими элементами органа. На остальных их сородичах, живущих «по правилам», лежит обязанность репродукции новых клеток, которые, в свою очередь, разделятся на работников и воспроизводителей. Итак, существует как бы второй уровень специализации. Это специализация внутренняя, происходящая среди клеток, уже вполне сформировавшихся и дифференцированных.

Больше всего озадачивало в этом механизме то, что воспроизводители, сами никогда не работавшие, дают жизнь новым труженикам. Значит, они несут в себе то, что принято называть специфической информацией, — указание, что и как должны делать клетки данного органа. И пусть эта информация никак не влияет на собственную судьбу клеток-воспроизводителей, они ее хранят. Реализовать ее суждено их потомкам. Не всем, только половинке. Другая же половина понесет ее дальше, к новым поколениям.

И взоры молекулярных биологов обратились к ДНК. Завладевшая титулом «наследственного вещества» и нареченная Уотсоном «самой золотой из всех молекул», как управляет она делением? Как — развертыванием специфической информации? Как участвует в самом, быть может, тонком, интимном процессе уподобления многих клеток друг другу?

И однажды странички с описанием очередного эксперимента были отложены в сторону, и на чистом листке бумаги карандаш выписал три буквы — ДНК. Это было, как давно сдерживаемый глубокий вдох. Как долго терзавшее и высказанное наконец сомнение.

В поисках несуществующего белка

Чистый лист с многозначительной криптограммой — ДНК и вопрос — лежал на столе. Самым бесспорным здесь был вопрос. Он вмещал в себя все те «почему», «зачем», «как» и «откуда», которые выстраивались рядом с ДНК каждый раз, когда с ней сталкивался биолог.

Но сейчас профессор Мажуга не искал ответа на вопросы, вырастающие непосредственно из его работы. Задача была более общей, но именно поэтому обнимала все то частное, в чем нужно было разобраться. Ведь не осмыслив главной задумки, по которой природа сконструировала ДНК, не понять многого в поведении этой удивительной молекулы. Поэтому-то исследователи все вновь и вновь пытаются уяснить себе идею двуцепочечности ДНК, разгадать, какова функция каждой из этих цепочек.

Нашлась любопытная ниточка, которая повела по ступенькам фактов. Ею стал механизм развертывания наследственной информации, который приобрел уже вполне хрестоматийный вид. Его закономерности в деталях прослежены молекулярными биологами: ДНК становится матрицей для информационной РНК, которая затем несет полученную информацию к месту строительства белка. И-РНК синтезируется на одной из цепочек ДНК. А что же вторая цепочка? Неужели она, действительно, как это ей частенько приписывают, просто дублирует первую? Неужели И-РНК синтезируется в клетке одновременно на двух спиралях ДНК? Именно эти вопросы и волновали киевского исследователя.

Известно, что каждой аминокислоте в белковой молекуле всегда отвечает определенное кодовое слово в нуклеиновой кислоте — структура из трех нуклеотидов (триплет). Следовательно, точно зная строение белка, можно перевести язык его аминокислот на язык нуклеотидов, воспроизведя сначала РНК, а затем и ДНК, задавшую программу для синтеза данного белка.

Прекрасным объектом для такой ретроградной реконструкции оказался инсулин. Это один из первых белков, которые удалось синтезировать в лабораторных условиях. Уже точно известны аминокислотный состав и структура его молекулы. Оставалось только перевести последовательность всех его аминокислот на соответствующие кодоны И-РНК, а затем на триплеты ДНК. Так получился ряд, воспроизводящий последовательность нуклеотидов в той цепочке ДНК, которая стала источником информации для инсулина. Вот уже восстановлена цепочка ДНК, дополняющая ту, которая участвовала в синтезе, комплементарная ей. Дальше совсем несложно «вычислить» И-РНК, которая могла бы образоваться на ней, а там — и соответствующий белок.

Увы, перед исследователем развернулась фантастическая цепь, где бессмысленные, нелепые кодоны, не несущие вообще никакой информации, выстраивались друг за дружкой, ничего не обозначая и все отрицая. Они отрицали себя, отрицали какую бы то ни было возможность построить белок на второй цепочке ДНК.

Но, может быть, так ведет себя только инсулин? Еще три белка подвергаются ретроградной реконструкции. Снова тот же путь и тот же красноречивый финал. Что ж, этого следовало ожидать. В конце концов, дополнительность как раз исключает одинаковость.

Молекула, изменившая себе

Размышления над двумя цепочками ДНК по сути завершены. Есть даже резюме: «Цепочки двойной спирали ДНК неравнозначны по содержанию. Информацией для биосинтеза в клетке наделена лишь одна половинка ДНК. Именно в ней закодированы распоряжения, определяющие поведение клеток».

Но прямо из него, этого резюме, валом валят вопросы, с которыми что-то нужно делать. Почему цепочки ДНК функционируют только в паре? Ведь природа не бывает расточительной. Для чего же она создала именно двойную спираль? Какие функции возложила на вторую цепочку?

Вопросы прочно осели в подсознании, и их извлекает оттуда малейшая ассоциация. Но фраза, случайно услышанная в институтском коридоре, была вообще о другом: «Он прежде работал с фагами, а вот теперь…» Реакция сработала раньше, чем смысл фразы дошел до сознания. Фаги! Самый большой парадокс «золотой молекулы»! Та форма жизни, где ДНК изменила себе, изменила двуспиральности.

Так случается часто; именно исключение из правила помогает объяснить само правило. Когда П. М. Мажуга взялся за перо уже для того, чтобы вскрыть логику двуспиральности, он начал с напоминания о том, что некоторые фаги содержат одноцепочную ДНК.

Представим себе: фаг поражает бактерию. Его одноцепочная ДНК проникает в клетку. Это как переворот. Весь обмен в теле бактерии переключается на синтезирование новых, чуждых ей веществ. Зато они нужны фагу. Только так он сможет воспроизвести себя, дать жизнь своему потомству. Но чтобы все это произошло, воинственная пришелица должна построить себе партнершу в клетке. И вот именно вторая, новосозданная нить ДНК становится матрицей для фаговой РНК, именно она принуждает клеточный механизм биосинтеза работать на себя. А что же исходная цепочка?

В данном случае ее функции ясны: она принесла наследственный код, по которому поверженная клетка создавала потомков фага. Но разве это не подсказка для более широкого обобщения?

Бездействующая нить — это источник генетической информации в полном смысле слова, говорит профессор Мажуга. Именно она, не участвующая в синтезе И-РНК (а значит, и белков), является исходной структурой. В ней заложена полная программа строительства, которая реализуется уже без ее участия. Эту программу она передает на комплементарную цепь ДНК, рождающуюся для того, чтобы стать фактической исполнительницей.

В чем смысл, биологическая целесообразность такой специализации? Теоретическое анатомирование ДНК дало изящную идею. Тоненькая рукопись, которая началась с трех букв и вопросительного знака, а затем погрузилась в почти схоластические глубины теории, в конце концов, перебросила мостик к самым широким обобщениям и заговорила о жизни как явлении гибком и устойчивом при всей его хрупкости.

Организм рождается, развивается, дряхлеет. Вся его жизнь — это непрерывный контакт со средой. От нее во многом зависят особенности его индивидуального развития. А как с наследственностью? Уязвима ли она для внешних воздействий? Конечно. Все живое постоянно подвергается влияниям, действующим на наследственный аппарат клетки и изменяющим его.

Как же стремительно должна ломаться, перекраиваться, искажаться наследственность в этом потоке воздействий. Казалось бы, достаточно двух-трех поколений, чтобы возникали совсем новые организмы, не похожие на своих предков. Однако ничего подобного не происходит. Наследственные изменения в природе относительно редки и немногочисленны.

Сейчас открыто уже много звеньев, обеспечивающих генетическую устойчивость клеток. Но похоже, что двуспиральность играет здесь ведущую роль. В самом деле, для поддержания биологического процесса нужен внутренний контроль, который помогал бы живой системе своевременно устранять возможные ошибки, отклонения, повреждения. Вот тут и срабатывает двуспиральность. Каждая из цепочек ДНК — стабильный шаблон, по которому выправляются отклонения, возникшие в молекуле. И только изменения, коснувшиеся обеих цепочек, могут внести коррективы в саму программу и закрепиться в структуре ДНК, если к тому же прорвутся и сквозь все остальные защитные механизмы.

…Перепахивают Землю геологические и исторические эпохи. Сменяют друг друга поколения всех ее обитателей. Но тысячелетиями сохраняются определенные их виды, устойчивыми остаются признаки, переходящие от родителей к детям. И в основе этой проверенной веками стабильности — крохотный механизм, обеспечивающий самовосстановление молекулы ДНК.

Мгновенья, мгновенья, мгновенья

Четкие темные метки мерцают в окуляре микроскопа: скоро деление. И опять аппаратура ловит каждый миг жизни клеток. А потом она так же пристально будет присматриваться к их потомкам. Потому что каждое поколение — это новая ступенька и новое состояние. И как раз на стыках этих состояний священнодействует ДНК, удваиваясь и готовя репродукцию — появление новых клеток.

Репродукция как эстафета. От поколения к поколению несут клетки свои зашифрованные возможности. Реализуют их они каждый раз, как это нужнее всего организму. Они становятся то тружениками, то воспроизводителями. И, верная себе, остается в тени многоопытная распорядительница эстафеты — двойная спираль.

В том, что она действительно распорядительница, сомнений уже нет. Факты об этом молчат, но говорит интуиция исследователей. Они уверены: она выносит из недр клеток глубинную команду, определяющую их собственное поведение и судьбу их потомков. Поистине понимать иногда нужнее, чем знать.

Автор: Галина Торжевская.