Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

глава 7

Main page / Генетика XXII века / ГЕНЫ. ДНК. РНК / Эволюция минералов. Цианиды, синильная кислота. Сателлитные РНК. Вирусоиды и вироиды. Локализация хромосом в ядре. Межхромосомные домены. Эпистаз. Эпистатичный и гипостатичный ген. Топоизомераза-I, II.

Содержание

    Говоря об эволюции, мы всегда имеем в виду живые организмы. А можно ли говорить об эволюции минералов? В некоем расширенном смысле этого слова – да. Обычно люди представляют себе минералы как нечто стабильное: вот они когда-то взялись на Земле, и с тех пор они и есть:) На самом деле все совершенно не так. Из более чем 5000 известных земных минералов, лишь около 1500 из них образовались в результате чисто геологических древних процессов старше 2 млрд лет. Остальные же образовались в результате более поздней бурной тектоники, а также благодаря живым организмам. Например, первый берилл появился 3 миллиарда лет назад  — примерно в то же время, когда окончательно разошлись пути бактерий, архей и эукариотов. Далее, в течение еще одного миллиарда лет, появились еще около 20 разновидностей берилла. Долго, да, потому что бериллия в земной коре очень мало, и нужно много времени, прежде чем возникнет обогащенная бериллием жидкая среда, где и сформируются кристаллы. А вот где-то 1.8-1.7 млрд лет назад произошел быстрый, взрывной рост новых разновидностей минералов с бериллием — их число выросло сразу в два раза. Почему? Скорее всего потому, что в этот период активно сталкивались континенты и возникали подходящие условия на их стыках. Эволюция минералов и эволюция живых существ связаны между собой, на самом деле, неразрывно, и невозможно глубоко понимать эти процессы в отрыве друг от друга, но до сих пор многие специалисты в области биологии эволюции этого не понимают, и изучение эволюции минералов лежит далеко за границами их профессиональных интересов.

    Раньше я уже говорил о том, что для глубокого понимания биологии клетки необходимы знания из разных областей физики, в том числе и квантовой, а теперь получается, что еще нужна и геология и минералогия? Да, получается, что так. А что в этом странного? Жизнь – самое невероятное и самое сложное, что существует в природе, так что неудивительно, что изучение жизни требует очень широких познаний.

    Но уж если мы говорим о жизни в космосе, то нельзя обойти вниманием самых простых из известных нам живых существ. Есть серьезные основания полагать, что как на других планетах Солнечной системы, так и на планетах в других звездных системах (т.е. на экзопланетах) должны существовать вирусы. Живущие на Земле вирионы, вирусоиды и вироиды легко могут быть выброшены за пределы атмосферы и попасть на другие космические тела. Одних только вирионов в Мировом океане имеется 10³¹ — это совершенно астрономическое, невообразимое число, и в силу их исключительно малых размеров существует высокая вероятность того, что они были выброшены в космос, например, при падении на Землю метеоритов, потому что обломки метеоритов и выбитые ими куски земной породы вполне могли набрать скорость, выше чем «скорость убегания» — та скорость, которую нужно набрать, чтобы начать удаляться от Земли и уже не вернуться под действием силы ее притяжения. Масса Земли огромна — 6х10²⁴, и, просто подпрыгнув, от нее не улетишь:) Вот если бы мы стояли на астероиде с диаметром 3 км, тогда хорошего прыжка было бы достаточно, ведь для такого небесного тела скорость убегания равна двум метрам в секунду. Скорость убегания от Земли — 11,2 километров в секунду — эта скорость хоть и кажется очень большой, но в результате столкновения метеорита или кометы с Землей выброшенные обломки могут нестись с гораздо большей скоростью.

    Помимо этого, мы знаем, что полиовирусы и бактериофаги могут выживать в условиях вакуума и космического ионизирующего излучения. При этом инфекционные агенты — это двигатели эволюции, без них невозможно появление сложных форм жизни, и в настоящее время мы не могли бы существовать без симбиоза с вирусами. И давай еще вспомним, что космическое пространство — не «пустое», как многие привыкли о нем думать. На самом деле оно буквально нашпиговано органикой! Космос — это настоящий густой органический суп! В это сложно поверить, но и не надо верить, надо знакомиться с астрономией:) Первые, самые простые органические молекулы ученые начали обнаруживать в далеком космосе еще в начале двадцатого века, и с каждым годом их открывали все больше и больше. Сейчас мы знаем более 300 видов органических молекул, свободно плавающих в космических пылевых облаках, которые очень густо наполняют космическое пространство. И среди них встречаются весьма сложные молекулы, и даже аминокислоты! Фактически может оказаться так, что жизнь зародилась не на планетах, а именно в космосе — там, где мельчайшие пылинки сначала сыграли роль катализаторов в образовании самых простых молекул, включая молекулы водорода Н2 (что довольно сложно без катализаторов). Там же возникали и цианиды (что довольно просто и без катализа), хотя травить ими пока что было некого:). Цианиды – это соединение цианид-аниона CN [ ≡N: ] с металлами (и не только). И только потом уже сформировалась среда, в которой возникла основа для сложной органики, которая развивалась уже на планетах.

    Механизм, с помощью которого цианиды ведут себя как сильнейшие яды, теперь нам будет легко понять в общих чертах. Дыхательная цепь переноса электронов содержит помимо тех объектов, которые мы уже рассмотрели (цитохром-С и кофермент Q), сложный белковый комплекс, который мы обычно обозначаем как «комплекс IV». Его название – цитохром-С оксидаза, из чего понятно, что она окисляет цитохром-С, забирая у него электрон.

    Цианиды связываются с железом, входящим в состав цитохром-С-оксидазы, и не дают ей переносить электроны, после чего клеточное дыхание прекращается, возникает тканевая гипоксия. Самый сильный цианид – синильная кислота – выглядит предельно просто: Н – C≡N (хочется отметить, что в табачном дыме она тоже есть, помимо бензпирена).

    Сейчас у нас нет способов зарегистрировать вирусы на других космических объектах — ну просто нет общих биомаркеров. Можно было бы, конечно, установить просвечивающие электронные микроскопы (TEM) на искусственных спутниках и зондах, которые мы отправляем в космос, но пока что это невозможно в силу их слишком большой массы и объема.

    В ближайшие несколько лет грузоподъемность носителей резко вырастет, а размеры и масса TEM уменьшится, так что… поглядим.

    Мы уже задавались вопросом о том – можно ли считать вирусы живыми, или нет. На данный момент трудно найти ученого, который придерживался бы такого мнения, что вирусы не относятся к живым существам. Это и понятно, ведь у вирусов есть геном, они пользуются генетическим кодом, они мутируют, они подвержены естественному отбору, они вступают в тесный симбиоз и с бактериями, и с растениями и с животными, и т.д. и т.п. Единственное, что можно попробовать притянуть к мнению о том, что они не являются живыми — это их неспособность к самостоятельному размножению. Но, с другой стороны, а кто вообще в живой природе способен к чему-то «самостоятельному»? Да никто. Ничего самостоятельного в живой природе вообще не существует. Всё живое находится в теснейшем союзе. Если нас лишить всех 120 триллионов обитающих в/на наших телах вирусов и бактерий, то мы не только плодиться «самостоятельно» не сможем, мы и нескольких дней не проживем. Так что вирусы попросту входят в это сообщество всего живого, являясь полноправными, и более того — совершенно необходимыми творцами жизни.

    На самом деле, даже признавая важность симбиоза животных и микроорганизмов, мы чаще всего недооцениваем – насколько этот симбиоз глубок. В одном из экспериментов ученые вырастили безмикробных мышей. Их выращивали в специальных боксах, обеспечивая их жизнедеятельность с помощью множества приспособлений. Параллельно выращивались обычные мыши с нормальной бактериальной флорой. Затем взяли кровь у тех и других и сравнили. Результаты поражают воображение. Из почти 4200 обычных химических соединений, которые имеются в крови обычных мышей, в крови безмикробных мышей нашлось лишь… 52! Чуть больше одного процента!! Остальные 4150 нормальных мышиных химических соединений, присутствующих в крови, являются либо продуктами бактериального метаболизма, либо веществами, продуцирующимися организмом мыши в результате взаимодействия с бактериями (и вирусами?). Нет никаких сомнений в том, что для человека результаты этого опыта также справедливы.

    Наверняка многие полагают, что вирусы являются самой простой формой жизни. Если бы всё было так просто… то было бы скучно:) Нет, все намного сложнее и интересней. Дело в том, что есть формы жизни, которые еще проще, чем вирусы! «Природа не терпит пустоты», — сказали когда-то физики. Что ж, эволюционисты и микробиологи с полным правом могут подписаться под этой мыслью, добавив в конец фразы «… от жизни». Так о ком же речь?

    Речь о сателлитных РНК и вирусоидах. Если обычный ретровирус имеет в качестве генома однонитевую молекулу РНК длиной в 6-9 тысяч нуклеотидов, то сателлитные РНК и вирусоиды являются РНК длиной всего лишь в 320-400 нуклеотидов. Чувствуешь разницу? Нет, не только в размерах, а в другом: ретровирус имеет молекулу РНК, а сателлитные РНК и вирусоиды являются молекулами РНК. Просто молекула, и всё! Да можно ли просто молекулу назвать живой?? Вот тут уже ученые не вполне согласны друг с другом, и я думаю, что причиной их разногласий является скорее инерция мышления, чем трезвая оценка аргументов. Очень уж трудно совершить такой прыжок в своем сознании и признать живой отдельную молекулу! Это жестко противоречит всему, что многие ученые впитывали с молоком своей альма-матер. И все-таки, если оставаться на чисто научных позициях, то лично я склонен признать, что сателлитные РНК и вирусоиды являются живыми, т.е. являются формами жизни. Живая молекула. Да, звучит дико, я понимаю, но и квантовая физика, и тем более теория относительности тоже когда-то казались дикими, и для ученого главным должно быть не то, насколько привычно или непривычно что-то звучит, а то — насколько это аргументированно, насколько соответствует научному способу думать и познавать мир.

    Сателлитные РНК и вирусоиды не кодируют белков собственного капсида — нет у них никакого капсида, нет никакой оболочки — ни белковой, ни липидной, ни смешанной — никакой. Голая молекула РНК. И она способна размножаться, она подвержена мутациям. Интересно то — как именно она размножается. Для этого она использует… другие вирусы! Сателлитные РНК и вирусоиды кочуют от одного вируса к другому, живя, так сказать, под сенью его капсида, а уже этот вирус-хэлпер занимается обычным вирусным делом — использует другие клетки для саморазмножения, а заодно размножает и своих сожителей. Являются ли сателлитные РНК и вирусоиды паразитами вирусов? Иногда да, а иногда нет — всё в точности, как в случае с клетками. Мы знаем примеры симбиоза вирусов и вирусоидов, причем очень тесного вида симбиоза — мутуализма, так что некоторые вирусы уже даже не могут реплицироваться без сателлитной РНК или вирусоида.

    Если тебе показалось, что, рассмотрев вирусоиды, мы уж точно добрались до самой границы живого и неживого, то ты ошибаешься, потому что существуют еще вироиды. Это тоже молекулы РНК, но еще более короткие. Вироид – это одноцепочечная, ковалентно замкнутая кольцевая молекула РНК, имеющая 240-375 нуклеотидов, которая из-за спаривания азотистых оснований часто приобретает плотную палочковидную структуру, как, например, на этом рисунке.

    Но структура вироидов может быть и гораздо более сложной:

    Более того, вироиды совершенно не обязательно имеют вот такую «каталожную форму»: внутри живой клетки они могут принимать различные конформации на разных этапах своего жизненного пути.

    Удивительно то, что вироиды вообще не содержат генов! Тут хочется остановиться и воскликнуть: ну если там нет генов, то как же можно их считать живыми? Но кто сказал, что наличие генов является обязательным критерием живого? Мы уже столько раз отодвигали границу живого все дальше и дальше, перемещаясь от хорошо известных нам форм жизни ко все более и более странным.

    Примером вироида является такой печально знакомый людям патоген, как вироид наружной кожуры цитрусовых, который портит жизнь цитрусовым деревьям. Первым же был открыт вироид, заражающий картофель. Считается, что треть всех вирусных заболеваний растений вызывается именно вироидами. Молекулы вироидов являются однонитевыми и кольцевыми. В процессе их репликации возникает линейная молекула, которая потом расщепляется автокаталитической реакцией, в которой сама же РНК и является ферментом! Как видим — генов нет, но это не мешает вироидам копироваться, мутировать, подвергаться естественному отбору. Получается… геном без генов?:) Да, выходит так. В конце концов, наш собственный геном тоже в основном состоит из участков без генов. «Главное не то, что у нас есть. Главное — достаточно ли нам того, что мы имеем, для того чтобы жить и эволюционировать», — сказали бы нам вироиды, и лично мне им возразить на это нечего.

    В 2016 году было предложено включить вироиды в состав царства Acytota, содержащего бесклеточные живые организмы, и тем самым за вироидами формально признается статус живого объекта. Мы до сих пор не знаем – где проходит граница между живым и неживым, да и сам смысл терминов «живое» и «неживое» по-прежнему расплывчат, и будущие исследования все более и более простых форм жизни прольют, видимо, какой-то свет на этот вопрос.

    Но в этом учебнике мы в основном будем заниматься той формой жизни, которая считает, что находится на противоположном полюсе от простейших. Когда говорят о хромосомах, обычно представляют их как-то перемешанными друг с другом или перемещающимися в свободном дрейфе в ядре клетки и т.д. В реальности дело обстоит иначе. На самом деле каждая хромосома в ядре клетки имеет свою собственную территорию. Мы помним, что в обычном, рабочем, расплетенном состоянии каждая хромосома представляет собою клубок очень сложной формы. И вот такие запутанные, казалось бы, клубки живут в клеточном ядре изолированно, не переплетаясь. Если бы хромосомы переплетались между собой, то процесс клеточного деления стал бы крайне затрудненным, или даже невозможным, ведь тогда всем хромосомам сначала надо было бы расплестись.

    Во многих типах клеток концевые участки хромосом, т.е. теломеры, прикреплены к ядерной оболочке. Это, безусловно, помогает хромосомам не перепутываться между собой, и все же этого явно недостаточно. Значит существуют какие-то еще механизмы. Например, могут быть особые белки, которые стоят на страже каждой хромосомы и не дают ей переплетаться с соседями. Как-то они должны распознавать, что вот такой-то участок принадлежит именно одной хромосоме, а не другой… в общем, пока всё это непонятно.

    Области между соседними хромосомами — межхромосомные домены — густо насыщены РНК, находящимися на разных стадиях обработки и постепенно перемещающимися к периферии ядра, чтобы далее экспортироваться в цитоплазму. Вполне возможно, что и этот суп из РНК играет роль химического и физического барьера между соседними хромосомами и также мешает их перепутыванию. Возможно, решение загадки неперепутывания хромосом лежит целиком или частично в области термодинамических законов, определяющих поведение разных фаз в гетерогенных комплексах (этой темы мы более подробно коснемся в разделе №5).

    Теперь заглянем внутрь хромосомы. Гены работают в тесной связке друг с другом. Настолько тесна эта связь, что практически очень трудно, а зачастую и невозможно определить точные границы влияния мутаций в том или ином гене. Для того, чтобы обсуждать вопросы взаимовлияния генов, нам в будущем понадобится соответствующая терминология. Эпистаз — это такое взаимодействие генов, при котором активность одного гена находится под влиянием другого гена (или других генов), неаллельного ему. Аллельные гены — это различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках парных хромосом, поэтому неаллельные гены — это гены, обладающие не только существенно разной структурой, но еще и имеющие разное местоположение на хромосоме.

    Тот ген, который подавляет работу другого гена, называется эпистатичным, а тот ген, работа которого подавлена или видоизменена активностью другого гена (других генов), называется гипостатичным.

    Теперь заглянем внутрь хромосомы и рассмотрим один аспект ее функционирования. Перекрученность двойной спирали может приводить к серьезным проблемам, поэтому клетка нуждается в механизме, с помощью которого эта проблема устраняется. Топоизомераза — это такой фермент, который занимается предотвращением чрезмерного перекручивания хромосомы. Делать это топоизомеразы могут двумя способами.

    Топоизомеразы-I производят разрыв в одной сахаро-фосфатной цепочке, пропускают в разрыв вторую цепочку и снова склеивают первую. Деликатная процедура, которая на одну единицу уменьшает число раз, которое одна нить ДНК пересекает другую.

    Топоизомераза-II поступает более радикально — она попросту разрывает обе нити ДНК, позволяя спирали чуть-чуть раскрутиться, изменяя число пересечений сразу на два.

    Не слишком ли это радикальная операция? Ведь речь идет не о какой-то ерунде, а о разрывании хромосомы! А что, если топоизомеразы будут выпускать концы разорванных ДНК «из рук»? Это приведет к фатальным повреждениям хромосом. Это возможно, да, и именно поэтому за счет естественного отбора сформировался надежный механизм. Топоизомераза очень крепко — с помощью ковалентной связи (!) — прицепляет один конец разрезанной ДНК к тирозину на своем активном участке. Это гарантирует, что первый свободный конец никуда не ускользнет. При этом фермент спокойно манипулирует вторым концом разрезанной ДНК (или двумя свободными концами, если речь идет о топоизомеразе-II).

    Такая работа топоизомераз особенно важна при копировании ДНК, ведь во время копирования длинная двойная спираль, состоящая из двух молекул ДНК, во многих местах расплетается, и степень перекрученности хромосомы резко возрастает. Если бы при этом не работали топоизомеразы, то из-за такой сильной перекрученности наши хромосомы просто бы рвались, причем уже необратимо. Не менее важна работа топоизомераз и во время многих других важных процессов, которые могли бы привести к перекрученности двойной спирали.