Я нарисовала их в виде бусинок (рис. 3.) и, действительно, физически нуклеотиды представляют собой микроскопические кристаллы-бусинки. Отличаются нуклеотиды азотистыми основаниями и по названию этих оснований все 4 вида нуклеотидов и получили имена: аденин (А), гуанин (G), тимин (Т) и цитозин ©. Нуклеотиды могут соединяться друг с другом при помощи самых обычных химических связей. Лучше всего представить себе это как будто бусинки имеют по бокам магнитные липучки, благодаря которым притягиваются друг к другу и соединяются в длинную цепочку.
И вот, некогда (не будем уточнять когда, кем или чем) было задумано, как самые обычные атомы, самых обычных химических элементов, сложить в удивительнейшие и сложнейшие соединения - белки. Задумать то задумали, а как это реализовать? Дело в том, что случайным образом атомы могут складываться только в простые соединения типа H2O, H2SO4, NaCl и пр., что вы помните из школьного курса неорганической химии. Если и не помните конкретные формулы, то уж точно не забыли, что это были достаточно простые соединения всего лишь из нескольких атомов. Белки же состоят из сотен и даже тысяч аминокислот, а каждая аминокислота в свою очередь является соединением из 10-30 атомов, притом, это не линейное соединение – атомы по отношению друг к другу располагаются под разными углами, образуя сложную объемную фигуру, можно даже сказать - скульптуру. Возможно ли, чтобы такое сложнейшее соединение получилось совершенно случайным образом? Давайте проведем следующий эксперимент: возьмем коробок и произвольным движением бросим в него горсть бусин. Бусины раскатятся по дну, образовав оригинальный хаотичный узор. В этом узоре можно будет выделить простые упорядоченные структуры, например: три бусины могут образовать равносторонний треугольник, 3-5 бусин могут выстроиться на равном расстоянии в прямую линию, может образоваться дуга и даже почти идеальная окружность, может получиться фигура, напоминающая какую-то букву. А вот могут ли все бусины выстроиться в правильный геометрический узор? В одну прямую линию или две параллельные прямые? Можно ли случайным броском написать слово из нескольких букв? Какой-нибудь математик, наверное, вам скажет, что теоретически такая возможность существует с вероятностью один к десяти в страшно сказать какой степени. Но мы то прекрасно понимаем, что это лишь теоретическая вероятность, а на практике - хоть миллиарды лет непрерывно бросай эти бусины, ничего подобного не получишь. Точно так же невозможно, чтобы аминокислоты внутри клетки сами по себе случайно сложились в белок. Чтобы составить из ледышек слово «Вечность», нужен мальчик Кай, притом у мальчика должны быть руки, которыми он произведет ряд целенаправленных механических движений и мальчик должен быть умным и грамотным. У него прежде должна возникнуть идея - составить слово, подкрепленная знанием, как это слово пишется.
Так вот белок – это даже не слово, это целая поэма! Это осмысленное соединение аминокислот. Структура белка такова, какой и должна быть для того, чтобы данный белок мог выполнять возложенную на него биологическую функцию. Поменяй местами пару соседних аминокислот и вместо важного мембранного или транспортного белка получишь груду бесполезного органического мусора. Так вот клетка и является мальчиком Каем, ее руки – РНК и рибосомы, а идея и план строения белка хранится в архиве – ядре клетки и как мы уже выяснили, хранится в зашифрованном виде.
Жаль, неизвестно, кто был тем первым программистом, который взял россыпь нуклеотидов и стал присоединять их один за другим в длинную цепочку: ATGTACCAAGGACТA… и так далее. Как и компьютерная программа из ноликов и единичек, для постороннего наблюдателя это чередование нуклеотидов выглядит случайным и бессмысленным, но для тех, кто владеет шифром, тут подробно выписана химическая формула определенного белка. И как современные программисты пишут свои программы не методом произвольной комбинации битов, а вдруг случайно что-то получится, так и тот неведомый программист не мог тратить время на игры в рулетку. Потому как даже простенький белок всего лишь из 100 аминокислот может быть построен 20100способами. Для сравнения – количество элементарных частиц в нашей Вселенной 1080. Представьте, сколько времени было бы потрачено, чтобы случайным образом найти формулу хотя бы одного белка, вряд ли бы хватило всего времени существования Вселенной. Нет, конечно же, соображали, что, зачем и почему следовало соединить.
Первая троица (триплет) ATG означает, что следует взять аминокислоту Метионин; следом идет TAC и это значит, что к Метионину следует присоединить Тирозин; триплет CAA указывает, что к предыдущей паре нужно присоединить Глутамин; далее GGA - Глицин; затем CТA – Лейцин… Нужно всего лишь три нуклеотида, чтобы зашифровать название одной из 20 аминокислот, из которых и строятся все белки в организме.
После того, как была полностью написана программа для создания одного белка, безо всяких перерывов, к образовавшейся нити присоединяются нуклеотиды, описывающие строение следующего белка. И так постепенно происходит опись всего движимого и недвижимого имущества клетки и полная информация у нас оказывается представленной в виде нескольких таких цепочек нуклеотидов. Вы уже догадались, что эта цепочка и есть та самая ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), а тот кусочек, в котором зашифрована формула одного белка, и есть ген. И теперь вместо известного определения, что ген – это участок ДНК и т.д. мы можем сформулировать более понятное определение:

Ген – это последовательность нуклеотидов, в которой зашифрована информация о строении одного или нескольких белков живой клетки.

Что значит «нескольких белков» будет объяснено позже.
Итак, информационная цепочка у нас есть, но давайте посмотрим внимательно на эту одинарную нить – выглядит она очень хлипко и жалко, как-то страшно хранить такую важную информацию в столь ненадежном виде. Вот влетит в клетку какая-то бешенная радиоактивная частица и оторвет нуклеотиду азотистое основание, так что станет непонятно кто это А или Т, а то и вовсе выбьет его из цепи (рис. 4).

Цепь не сможет ни соединиться в этом месте, ни разойтись на две отдельные части, т.к. она жестко удерживается при помощи параллельной цепи.
Нельзя сказать, что такое колоссальное количество поломок генома (напомню - это десятки тысяч в час, большинство из которых, как правило, несовместимы с жизнеспособностью клетки) клетке удается нейтрализовать легко и без проблем, но пока организм здоров и молод, и собаки, да и мы с вами, ухитряемся выживать в такой недружелюбной обстановке. При этом даже не догадываемся о том, какие сражения идут ежесекундно за нашу жизнь на атомарно-молекулярном уровне.
Конечно, прочность двойной цепи не настолько велика, чтобы вообще нельзя было изменить в ней порядок нуклеотидов, иначе кроме первых прокариотов на Земле не появилось бы никаких новых организмов. Прочность химических связей в двойной цепочке ДНК так удачно и гармонично коррелирует с частотой различных типов повреждений, что, с одной стороны, обеспечивает некоторую стабильность в хранении информации, но при этом дает возможность иногда менять ее, благодаря чему живые организмы эволюционируют и развиваются.
С тем как информация хранится и зашифровывается разобрались, и теперь посмотрим, как же можно практически пользоваться этим архивом. Предположим, клетка решила создать какой-то белок. Для этого некая молекула под названием информационная или матричная РНК (мРНК) считывает информацию с соответствующего гена, и с этой информацией, как с рабочими чертежами подмышкой, направляется прямо в мастерские – эндоплазматический комплекс. А уже там рибосомы, согласно предоставленным чертежам, начинают соединять аминокислоты в последовательную цепь, которая является… нет, не белком, а всего лишь заготовкой для белка. А дальше происходит маленькое чудо - длинная цепочка аминокислот начинает сворачиваться, приобретая пространственную форму. Выглядит это приблизительно как в фильме о роботах-трансформерах, когда из бесформенной груды вдруг сама собой образуется некая функциональная машина. И вот оказывается, что судить о функциях белка в организме можно лишь после того, как он свернется и примет необходимую форму. Информации, почерпнутой при расшифровке генома, об очередности аминокислот в протеине вовсе недостаточно, поскольку существуют миллионы потенциально возможных пространственных комбинаций, которые может принять этот белок. Однако, все белки, транслируемые с одного гена и имеющие идентичную аминокислотную последовательность, из множества вариантов выбирают одну-единственную заранее известную форму, и это будет форма с минимальной энергией структуры. Хотя, в редких случаях, бывает, что из одинаковых заготовок создаются разные конформации белков, различающиеся не только формой, но даже выполняющие разные функции, но при этом соблюдается главное правило для устойчивости белка - альтернативная его конформация должна иметь примерно то же по энергии состояние. Из этого мы сделаем первый важный
Вывод 1: Ген содержит не полную информацию о белке.
Белок имеет определенную степень свободы, и сам решает какой вид и какую функцию он приобретет. Выражение «сам решает» не стоит воспринимать буквально, это значит, что причины, управляющие этим процессом, пока что неизвестны, но ген тут точно ни при чем.
Теперь мы возвращаемся к тому самому моменту, когда клетке был дан сигнал, что можно начинать дублировать органоиды. Все происходит точно так же, как и в случае синтеза белка. Матричная РНК считывает информацию, рибосомы строят заготовки, белки сворачиваются, соединяются с другими белками, если речь идет о сложном молекулярном комплексе. Так по очереди дублируются все клеточные структуры, пока клетка не увеличится в размерах почти вдвое. Далее клетка переходит к самому важному действу – создание копий самих ДНК, так называемая репликация ДНК (рис. 7).

А в ДНК эукариотической клетки так:

СЩДОМТБРЦУВОЧКФЭА

В процессе синтеза белка мРНК полностью скопирует эту бессмыслицу, включающую как экзоны, так и интроны. Но эта информация совершенно не пригодна в качестве инструкции для производства белка. Сначала из нее нужно исключить интроны, а экзоны соединить в нужном порядке. Этот процесс называется сплайсингом (сшивание, сращивание).

С–ЩД–О–МТБ–Р–ЦУВ–О–Ч–К–ФЭ-А = СОРОКА

Казалось бы, что природа тут слегка перемудрила, вместо простого и понятного метода записи информации, который прекрасно работает у простейших, вдруг зачем-то понадобилось отягощать ДНК мусорными интронами и задавать лишнюю работу мРНК. Но, нет! Такой хитроумный способ позволяет создавать множество новых белков без образования новых генов. Нужно всего лишь по-другому вырезать экзоны. Например:

С –ЩД-О-МТБ-Р-ЦУВОЧКФЭА = СОР,
С-ЩД-О-МТБ-Р-ЦУВ-О-Ч-К-ФЭА = СОРОК,
С-ЩД-О-МТБРЦУВОЧ-К-ФЭА = СОК,
СЩД-О-МТБ-Р-ЦУВОЧКФЭА = ОР,
СЩДОМТБ-Р-ЦУВ-О-Ч-К-ФЭА = РОК.

Раз уж было сказано, что белок – это осмысленное соединение, то будем придерживаться этого правила и при составлении новых вариантов генов, выбирая только реально существующие слова, как в известной игре, с тем только отличием, что мы не имеем права менять последовательность букв-экзонов. Из коротенького слова СОРОКА методом альтернативного сплайсинга можно создать шесть принципиально разных белков. Из длинной цепочки реальных экзонов и интронов, составляющих один ген, можно «нарезать» тысячи вариантов белков. Поэтому, имея всего лишь 20 тыс. генов, сколько и у круглых червей, млекопитающие, тем не менее, поднялись гораздо выше по эволюционной лестнице, только лишь благодаря усложнению «программного обеспечения».
Информация об альтернативном сплайсинге нужна не только для общего развития, из этого можно сделать целый ряд важных выводов:
Вывод №2: Мутация в одном лишь гене может повлечь за собой изменение структуры целого ряда белков, что, в свою очередь, может привести к комплексу проблем в организме
.
Вывод №3: Ген содержит информацию о строении нескольких белков, но который именно из белков будет синтезирован в клетке, зависит от пути сплайсинга в мРНК.
Решение мРНК зависит не от ее капризов и не от того, с какой ноги она сегодня встала, а от физико-химических характеристик клеточной цитоплазмы и от типа клетки. Например: в клетках мышечной ткани с гена СОРОКА будет транслироваться белок СОРОКА, в клетках костной ткани с этого же гена синтезируют белок СОК, а в нейронах - РОК. Иными словами, у большинства генов альтернативный сплайсинг тканеспецифичен: в одних тканях чаще синтезируются одни изоформы белка, в других — другие. Обращаем внимание на оговорки «у большинства» и «чаще». Это означает, что даже для генов, сплайсинг которых отличается строгой тканеспецифичностью, все равно наблюдается индивидуальная вариабельность: у разных собак, даже близкородственных, в одних и тех же тканях может быть разное соотношение изоформ белков. Где-то там, в мышцах, рядом с «сорокой», мы сможем найти немножечко «сока» и капельку «рока» и, наоборот, в костях и нейронах кроме основных белков, синтезируется некоторое количество альтернативных.
Вывод №4: Синтез белков, информация о которых зашифрована в одном гене, преимущественно тканеспецифичен, но при этом выбор изоформы белка не подчиняется строгим законам и запретам и зависит от общего состояния организма.

Изначально все собаки, даже крупные, красивые и умные, были самыми настоящими «примитивными» одноклеточными, и получилось это одноклеточное в результате слияния яйцеклетки и сперматозоида. Затем эта клетка (зигота) делилась множество раз (принцип деления мы с вами как раз подробно рассмотрели) и всего лишь через два месяца мы получили на выходе очень даже многоклеточного щенка. Вот только есть одна странность: на входе у нас была одна клетка, определенного типа и вида, а когда мы станем рассматривать щенка, то окажется, что он состоит из разнообразных групп совершенно не схожих клеток. Тут и минерализированные клетки костной ткани остеоциты, и клетки мышечной ткани - миоциты, клетки сердечной мышцы – кардиоциты, гепатоциты печени, нейроны, эритроциты, лимфоциты и т.д. и т.п. Эти клетки не только отличаются внешне, они выполняют совершенно разные функции, в них синтезируются разные белки. Но если мы посмотрим в ядро каждой из этих клеток, то окажется, что в них абсолютно одинаковые наборы ДНК. Как же это вообще возможно такое, что клетки с одинаковым геномом так несхожи?
Мы с вами бросили оплодотворенную яйцеклетку на произвол судьбы и заинтересовались уже готовым щенком, пропустив один из удивительнейших процессов в природе – формирование плода. Потому, возвращаемся на 2 месяца назад и наблюдаем, как яйцеклетка начинает дробиться, а число клеток эмбриона при этом растет в геометрической прогрессии: 2, 4, 8, 16, 32...

Ранние стадии эмбриогенеза животных не случайно называют «дроблением»: зигота именно дробится, клетки эмбриона после каждого деления становятся всё мельче, поскольку между клеточными делениями отсутствует стадия роста клеток. Здесь наблюдается некоторое отличие от деления одноклеточных, у которых, как мы помним, клетка перед делением должна увеличиться вдвое. Яйцеклетка же заранее запаслась всеми необходимыми «стройматериалами», и не на одно, а на множество делений вперед, потому она такого гигантского размера, во много раз больше обычных клеток. Да и неоткуда зиготе взять питательные вещества, ведь оплодотворение яйцеклетки происходит в фаллопиевых трубах и от момента оплодотворения до прикрепления плодного яйца к стенке матки проходит несколько дней, в течение которых клетка вынуждена использовать только внутренние ресурсы. Только когда яйцеклетка сможет получать от материнского организма необходимые питательные вещества, тогда и начинается настоящее деление, с предварительным увеличением размера исходных клеток, и эмбрион начнет расти не по дням, а по часам. Пока же при дроблении зиготы общее количество цитоплазмы не растет, увеличивается лишь количество клеточных ядер, а, следовательно, и ДНК. Но если каждый вновь созданный комплект ДНК является точной копией первичного оригинала, то цитоплазма делится между клетками неравномерно. Цитоплазма яйцеклетки специально имеет такой хитрый состав, чтобы было невозможно ее разделить честно и справедливо напополам, так что изначально при дроблении получаются клетки, имеющие одинаковое ядро, но разную цитоплазму.
На первых стадиях дробления геном пока что спит. С него, как с бесчувственного тела, снимают копии, но никакая информация с него не считывается и трансляция белков в клетке не производится. Но где-то на стадии 4-8 клеток геном начинает просыпаться. Вернее, просыпаются мРНК с навязчивой мыслью: «Чертовски хочется работать»! Они устремляются к геному, и вот тут вспоминаем предыдущую лекцию, что работа мРНК целиком и полностью зависит от физико-химического состава цитоплазмы. А наши первые клетки как раз этим самым составом цитоплазмы и отличаются. Поэтому в одних клетках мРНК начнут считывать информацию с одних генов и далее рибосомы синтезируют соответствующие им белки, а в других клетках начнут совсем с других генов/белков. И вот эти самые первые белки имеют такое хитрое свойство – они заставляют клетки своей группы делиться в определенном направлении, что приводит к расслоению групп клеток. В процессе деления образуются два зародышевых листка: наружный – эктодерма и внутренний – энтодерма. Затем добавляется и средний слой - мезодерма. Следующий этап (нейруляция) - участок эктодермы отделяется от остальной части клеточного слоя, образуя нервную пластину. Боковые края нервной пластинки утолщаются, образуя нервные валики, которые постепенно сближаются, а в самой пластинке вдоль средней линии образуется желобок. Валики сходятся над ним и сливаются, в результате чего возникает полая нервная трубка, из которой в процессе дальнейшего развития возникнет головной и спинной мозг, а клетки краевых отделов нервного желобка образуют нервный гребень.
Из этих 4-х основных пулов: эктодермы, энтодермы, мезодермы и нервного гребня и будет формироваться организм. Это те самые стволовые клетки, о которых вы не могли не слышать. Стволовые клетки могут стать чем угодно, любым органом или тканью и они ими становятся, когда начинается самый удивительный и фантастический процесс - дифференцировка клеток или как мы называем по-простому – закладка органов.

Весь предыдущий материал позволяет нам совершить переход от примитивной и ошибочной «мозаичной» схемы воплощения генотипа в фенотип, к реальной «волновой» схеме. Если бы фенотип был простой суммой отдельных признаков, то графически можно представить себе это в виде огромной мозаичной картины, где каждый отдельный признак соответствует одному паззлу мозаики, а свойства каждого паззла зашифрованы в одном из генов ДНК.

На рис. 10 изображен небольшой фрагмент мозаики, подразумеваем, что это часть масштабного живописного изображения. Произведем «мутацию», то есть поменяем синий паззл на зеленый, и увидим, что мутация в одном гене приводит к изменению цвета только одного участка, никак не влияя на соседние и лишь незначительно изменяя общий вид картины. А если взять схему ген-белок-клетка-признак, то следует обязательно учесть, что белок в клетке работает в тесном сотрудничестве с другими белками и изменение в его работе должно сказаться и на других белках и на самой клетке и далее на других клетках. Вместо дискретных стеклышек мозаики подойдут капли акварельной краски разных цветов (рис. 11).

Первое что мы отметим: краски вступают друг с другом в контакт и в результате взаимодействия порождают совершенно новые цвета (признаки) за которыми не стоят никакие гены. Картинка сразу же становится богаче, чем в предыдущем примере, но и сложнее. Далее, мы видим, что при замене цвета акварельной капли, изменится не только один дискретный фрагмент, но и вся картинка. Если учесть, что в отличие от «признака», занимающего только одно конкретное место в фенотипе, многие белки могут находиться в клетках различных тканей, а, следовательно, и в совершенно разных компаниях других белков. А если еще вспомнить о том, что один ген может кодировать сразу несколько белков, то получится, что из-за одной единственной мутации волна изменений проходит по всей фенотипической картинке.
Пример: у собак пигмент эумеланин бывает двух типов – черный и коричневый. Разница между ними даже не в химическом составе, а в способе полимеризации готового вещества. А теперь возьмем породы, в которых есть собаки в черном и коричневом вариантах одного окраса: лабрадоры, доберманы, ньюфаундленды, таксы, спаниели и пр. Опытные специалисты-породники подтвердят, что между черными и коричневыми собаками есть едва уловимые отличия. Вроде бы даже и не скажешь сразу, чем же они отличаются, но что-то такое есть, что даже заставляет в некоторых породах выставлять их в разных рингах. При этом иногда сотни лет идет общее разведение, так что прочие гены, находящиеся в той же 11-ой хромосоме уже должны были перемешаться, благодаря кроссинговеру (о К. будет ниже) и речь никак не может идти о сцепленном наследовании признаков. Причина исключительно в мутации в гене В. Казалось бы – такая чепуха, изменили всего лишь форму пигментных гранул с продолговатых на округлые, а вот какой резонанс во всем организме!