В случае с ДНК и белками этот перспективный путь для нас, похоже, закрыт. Аналогия между информацией языковой и нуклеотидной не идет до конца. В чем же причина? Рискну высказать спекуляцию, не настаивая на ее справедливости.
Попробуйте вслух прочитать фразу 2, по возможности быстрее, но чтобы было «понятно», чтобы произнесенное соответствовало написанному. Боюсь, что это вам не удастся. А ведь от верно произнесенного слова может зависеть многое, вплоть до жизни.
Поэтому любой язык, усваивая новые слова, стихийно перерабатывает их для лучшего, четкого выговаривания. Результатом этого процесса и является как бы сама собой возникающая связь между символами в тексте, учитываемая Добрушиным система корреляций, в каждом языке своя. Человек, говоря на чужом языке, не усвоенном с раннего детства, лишь с большим трудом избавляется в устной речи от акцента. Ведь акцент — не что иное, как перенесение привычных правил произнесения фонем и их сочетаний в другой язык, для того не приспособленный. Каждый может вспомнить примеры из своей практики. В частности, я с великим трудом привык к московскому говору — на моей родине, на Урале, не «акают», не произносят безударное «о» как «а».
Иное дело с текстами на языке ДНК. Фермент РНК-полимераза, синтезируя на матрице ДНК предшественник информационной рибонуклеиновой кислоты, «произносит» любые сочетания символов. То же можно сказать и о синтезирующей белок системе клетки рибосоме. В результате и текст ДНК, и аминокислотные тексты белков хранят до сих пор черты стохастического, случайного возникновения. Но и здесь есть исключения.
О. Б. Птицын, решая эту задачу, находился в лучших условиях, чем я — у него уже был в распоряжении приличный банк «прочтенных» аминокислотных последовательностей и ЭВМ. И он пришел к четкому выводу: белки — это стохастические (т. е. сконструированные как фраза 2) тексты, лишь впоследствии отредактированные отбором.
Как происходит это редактирование? Возьмем хотя бы ген глобина — белковой части всем известного гемоглобина. В нем, конечно, происходят мутации, приводящие к заменам аминокислотных остатков в конечном продукте. Некоторые из них «портят» белок, он уже не связывает кислород. Носители таких генов нежизнеспособны. Строгий редактор — отбор беспощадно вычеркивает их.
Другие замены почти не нарушают функции гемоглобина. Но поскольку они и не полезны, в популяциях они не распространяются. Генетики их называют «семейными», ибо их можно найти в семьях, образованных потомками предка-мутанта.
Но есть и другие мутации, которые распространяются в популяциях, как степной пожар. Если в том же глобине -цепи гемоглобина человека в шестом положении остаток глутаминовой кислоты заменится на другой — нейтральный или щелочной — в тропических и субтропических зонах Земли эта мутация будет распространяться. И это невзирая на то, что человек, унаследовавший мутантный ген от обоих родителей, как правило, страдает анемией (мутантный гемоглобин легко выпадает в осадок и поэтому плохо переносит кислород). Оказалось, что такие гемоглобины (их называют тропическими или аномальными) ядовиты для малярийного плазмодия. А в теплом и влажном климате малярия — мощный фактор отбора в человеческих популяциях. Так отбор перестраивает белки, и через них — отбирает нужные гены.
Но этот пример (а можно привести немало других) касается белка — химического соединения, участвующего в реакциях, важных для организма и подверженных отбору. Отбор редактирует текст гена в данном случае не прямо, а опосредованно. А может ли он непосредственно влиять на ген, например, повышая точность считывания информации?
Раньше на этот вопрос отвечали отрицательно. Но сейчас появились другие данные, о которых надо рассказать. Для этого вспомним структуру ДНК-текста. Спираль ДНК двойная, она состоит из двух комплементарных друг другу цепей и слагается четырьмя символами: двумя пуринами — аденином и гуанином (А и Г) и двумя пиримидинами — цитозином и тимином (Ц и Т). Пурин в одной цепи всегда присоединяется водородными связями к пиримидину, в другой — А к Т и Г к Ц. Поэтому в двойной спирали сумма всех пуринов равна сумме всех пиримидинов.
А как распределены пурины и пиримидины в одиночной цепи? Если бы распределение было стохастическим, то с частотой 0.5 наугад выбранный нуклеотид оказывался бы, например, аденином или гуанозином. Это тип фразы 2.
Сейчас, когда прочтены уже тысячи генов, проверить это предположение элементарно. Но оно было проверено задолго до того. Химики разработали методы разрушения в ДНК только пуринов или только пиримидинов.
Пурины, например, разрушаются, если мы обработаем ДНК дифениламином в муравьиной кислоте. В результате ген распадается на смесь блоков — кусочков, в которых пиримидины (Ц и Т) повторяются 1,2,3,4 и более раз. И если бы распределение было случайным, моно- и динуклеотиды преобладали бы. На практике применяют так называемый коэффициент сблоченности β — отношение суммы длинных блоков (4 нуклеотида и выше) к сумме коротких (три нуклеотида и ниже).
Мой коллега по лаборатории им. А. Н. Белозерского, А. Л. Мазин определил коэффициент β для ДНК разных организмов — от бактерий до млекопитающих. Получилась довольно четкая картина — в ряду от бактерий до человека β возрастает от 4 до 6 и выше. Сблоченность ДНК с усложнением организации неуклонно растет. А это значит, что снижается ее информационная емкость, как при возникновении корреляций между буквами в тексте. Генетический код становится все более и более неэкономичным. Возникает вопрос: почему это происходит?
Намек на ответ содержится в других работах А. Л. Мазина. Вспомним, что в большинстве известных нам случаев информационная РНК синтезируется только на одной из нитей или цепей ДНК, которую называют смысловой. Вторая, комплементарная нить — антисмысловая. Пуриновому блоку в смысловой цепи соответствует пиримидиновый в антисмысловой (и наоборот).
Исследования показали, что пиримидиновые, состоящие из Ц и Т, блоки имеют тенденцию скапливаться в смысловой цепи. Возникает асимметрия цепей ДНК. Значит, информационная РНК, на которой синтезируется белок, обогащается пуринами (А и Г). Конечно, она не может на 100% состоять из пуринов, ведь тогда в ней нельзя закодировать такие аминокислоты, как фенилаланин, серин, лейцин. Но тенденция явно имеется.
Для объяснения ее А. Л. Мазин вспомнил о старой моей работе с Л. М. Галимовой, в которой мы изучали синтез белков у тутового шелкопряда. Уже первые исследователи передачи генетической информации с гена на белок подметили, что этот процесс (трансляция) подвержен сильным помехам. Рибосомы могут считывать кодоны в матричной, информационной РНК неправильно, и в белок включаются не те аминокислоты. Этот процесс (мисридинг) усиливается при повышенной температуре, подкислении среды, высокой концентрации магния и при действии антибиотика стрептомицина. Собственно, антибактериальный эффект стрептомицина тем и объясняется, что рибосомы стрептококков начинают «врать» при тех концентрациях антибиотика, при которых рибосомы человека остаются еще устойчивыми.
Мы кормили гусеницу шелкопряда листьями шелковицы, смоченными раствором стрептомицина в лошадиной концентрации. Гусеницы ели, линяли, исправно завивали коконы. А кокон состоит всего из двух белков — фиброина и серицина — клейкого вещества, склеивающего фиброиновые нити.
Серицин легко перевести в раствор кипячением — так мы без особых трудов получаем чистейший белок, без примеси других. Гидролизат его можно уже пустить в аминокислотный анализатор. Оказалось, что стрептомицин достоверно изменял состав белка: одних аминокислот становилось больше, других меньше[5]. Первые мы назвали плюс-, вторые минус-аминокислотами.
Оказалось, что эти категории не случайны. Плюс-аминокислоты в матричной (информационной) РНК кодируются в основном пуринами (А и Г), а минус — пиримидинами (Ц и У- уридином, неметилированным тимином, который заменяет Т в РНК). Пурины и пиримидины тоже неоднородны по точности считывания. С учетом литературных данных У в результате неверного прочтения мог быть прочтен рибосомой как Ц, Г, А; Ц — как Г и А; Г- как А, и лишь аденин обычно считывался правильно.
Естественно было связать повышенную помехоустойчивость с термодинамической устойчивостью символа. Последняя величина измеряется энергией резонанса — той энергией, которая потребна для изменения структуры вещества. В ряду У, Ц, Г, А эта величина соответственно 1.92, 2.22, 3.84, 3.89 (ккал/моль). Аденин наиболее устойчив, именно потому он легко полимеризуется в опытах (и, вероятно, на первозданной Земле) из цианистого водорода и потому входит в состав АТФ — универсального аккумулятора энергии в биологических системах.
