Построение белка (трансляция) начинается в рибосомах. По прибытии мРНК рибосома захватывает ее недалеко от окончания и выявляет всего лишь три звена цепочки (трипле т). В нашем примере был бы обнаружен триплет ГГЦ. После этого к работе приступает второй тип РНК – транспортная РНК (тРНК). Каждая молекула тРНК содержит две основные части: аминокислоту, прикрепленную к ней (груз, который предстоит передать), и триплет РНК, который выступает, подобно мачте корабля. Различные молекулы тРНК могут попытаться прикрепиться к выявленному триплету РНК, но это пройдет успешно лишь тогда, когда основания окажутся комплементарными. Таким образом, к триплету ГГЦ может присоединиться лишь тРНК с фрагментом ЦЦГ. И только после успешного соединения рибосома принимает груз – аминокислоту.
В этот момент молекула тРНК уходит, молекула мРНК сдвигается на три позиции и все начинается заново. Выявляется другой триплет, к которому стыкуется молекула тРНК с другой аминокислотой. Так занимает свое место вторая аминокислота. В конце концов, после множества шагов создается цепочка аминокислот – белок. А поскольку каждому триплету РНК соответствует одна и только одна аминокислота, информация должна в точности быть передана от ДНК к РНК, а затем белку. Этот процесс происходит в каждом живом существе. Введите одну и ту же молекулу ДНК в морскую свинку, лягушку, тюльпан, слизевик, дрожжи, американского конгрессмена – и вы получите одинаковые цепочки аминокислот. Поэтому не удивительно, что в 1958 году Фрэнсис Крик возвел процесс «ДНК → РНК → белок» в ранг центральной догмы молекулярной биологии[12].
И тем не менее догма Крика не объясняет всех нюансов в создании белка. С одной стороны, можно заметить, что из четырех оснований ДНК можно составить 64 различных триплета (4 × 4 × 4 = 64). В то же время эти триплеты кодируют всего лишь двадцать аминокислот, которые содержат наши тела. Почему?
В 1954 году физик Георгий Гамов основал «научный» клуб галстуков РНК (RNA Tie Club). В частности, для того чтобы получить ответ на поставленный выше вопрос. Физик, который по совместительству занимается биологией, может выглядеть странно (Гамов тогда занимался радиоактивностью и теорией Большого взрыва), однако в этот клуб вступили и другие «инородные» ученые, вроде Ричарда Фейнмана. Но не только ДНК бросала интеллектуальный вызов. Многие физики были потрясены своей причастностью к созданию ядерных бомб. Казалось, что физика разрушает жизнь, а биология занимается ее восстановлением. Список участников клуба состоял из 24 человек, физиков и биологов, по одному на каждую аминокислоту, плюс четыре почетных члена по числу оснований ДНК. Уотсон и Крик были в числе членов клуба (Уотсон выступал в официальной роли Оптимиста, а Крик – в роли Пессимиста). Каждый участник щеголял зеленым галстуком (стоимостью 4 доллара), на котором золотым шелком была вышита спираль ДНК. Галстуки были выполнены на заказ одним из галантерейщиков Лос-Анджелеса. На канцелярских принадлежностях клуба был нанесен девиз: «Сделай или умри. Или даже не пытайся».
Участники клуба галстуков РНК щеголяют зелеными галстуками, на которых золотым шелком вышита спираль ДНК. Слева направо: Фрэнсис Крик, Александр Рич, Лесли И. Оргел, Джеймс Уотсон. Фото любезно предоставил Александр Рич
Несмотря на совместную интеллектуальную мощь, история клуба завершилась в некоторой степени глупо. Физиков зачастую притягивают проблемы повышенной сложности, и вот некоторые участники клуба с «физическим» складом ума (включая Крика, со степенью доктора философии) ринулись работать с ДНК и РНК, не осознав, насколько простым был процесс «ДНК → РНК → белок». Они сосредоточились главным образом на том, как ДНК хранит инструкции, и почему-то решили сначала, что ДНК должна скрывать свои инструкции в виде сложного кода – биологической криптограммы. Ничто так не увлекает компанию мальчишек, как закодированные сообщения. И тогда Гамов, Крик и другие участники принялись подобно компании десятилетних ребят с пачкой чипсов в руках за взлом этого шифра. Вскоре они уселись за рабочие столы и начали исписывать расчетами страницу за страницей. Воображение было удачно раскрепощено при помощи экспериментов. Они выдумали решения: достаточно мудреные, чтобы заставить Уилла Шортца улыбнуться – «ромбовидные коды», «треугольные коды», «коды в виде запятой», а также множество других, уже забытых. Эти коды пришлись бы по вкусу Управлению национальной безопасности: обратимые коды, коды со встроенными механизмами защиты от ошибок, коды, увеличивающие плотность хранения за счет перекрывающихся триплетов. Парням из Управления очень нравятся коды, которые используют анаграммы (то есть ЦАГ = АЦГ = ГЦА и др.). Такой подход выглядел обоснованным, поскольку после изъятия всех повторяющихся комбинаций число уникальных триплетов в точности равнялось двадцати. Другими словами, ученые, казалось бы, нашли связь между числами 20 и 64 – причину, по которой природа просто обязана использовать 20 аминокислот.
12
Вопреки своему величественному имени центральная догма обладает сомнительным наследием. Поначалу Крик подразумевал, что эта догма будет значить нечто вроде «ДНК производит РНК, а РНК производит белки». Позднее он переформулировал это более точно, говоря о том, каким образом «информация» передается от ДНК к РНК, а затем к белкам. Однако вторую версию усвоили не все ученые, и, как в давние времена религиозных догм, это привело к тому, что у некоторых приверженцев отключилась способность рационального мышления. Понятие «догма» подразумевает неоспоримую истину, и Крик впоследствии со смехом признавался, что он даже не знал точного определения этого слова – просто оно звучало по-научному. Однако некоторые ученые восприняли ее в духе церковного повиновения, и по мере того как распространялась весть об этой, как предполагалось, непоколебимой, догме, она непостижимым образом превратилась в умах многих в нечто менее конкретное, вроде «ДНК существует только для того, чтобы производить РНК; РНК существует только для того, чтобы производить белки». Учебники даже до сегодняшнего дня иногда называют это центральной догмой. Но, к сожалению, такая незаконнорожденная догма существенно искажает истину. Она в течение десятилетий (а время от времени и сейчас) затрудняла осознание того, что ДНК, и в особенности РНК, делают гораздо больше, чем производство белков.
В самом деле, для основного процесса производства белков необходимы информационная РНК (мРНК), транспортная РНК (тРНК) и рибосомная РНК (рРНК), но кроме них существует целая дюжина других регулирующих РНК. Изучение различных функций ДНК подобно разгадыванию кроссворда, когда вы знаете последние буквы слова, но не знаете начальных, и поэтому не спеша перебираете весь алфавит. Мне встречались такие обозначения: aРНК, bРНК, cРНК, dРНК, eРНК, fРНК и так далее до «эрудитовских» qРНК и zРНК. Есть также rasiРНК и tasiРНК, piРНК, snoРНК, кое-что в духе Стива Джобса – РНКi, а также другие. К счастью, мРНК, рРНК и тРНК охватывают все генетические процессы, которые нам понадобятся в этой книге.