Желание сорвать раз и навсегда покровы тайны, утвердить постулат и сдать его в архив, как нечто навеки истинное, что будет являться таковым и через сто и тысячу лет – это, как нам показал двадцатый век, недопустимое качество для непредвзятого учёного и мыслителя. Убеждённость во всемогуществе науки и уверенность в том, что в силу непрерывности процесса накопления научного знания, непознанное остаётся таковым лишь временно, является самообманом и попыткой упростить мир до уровня нашего человеческого понимания. Но, как оказалось, чем дальше мы заходим в лес тайн природы, тем больше дров, т.е. версий и интерпретаций этих тайн. Это подтверждается множеством примеров в области современной физики и биологии.

Одним из таких примеров является попытка естествознателей окончательно сформулировать понятие «ген». Этой истории уже более 100 лет, и берёт она своё начало с трудов создателя генетики Менделя. Грегор Мендель слова «ген» не знал, но именно он впервые описал законы наследственности и изменчивости живых организмов в середине девятнадцатого века. Термин «ген» впервые появляется у датского исследователя В. Иоганнсена в 1909 году. И сейчас, в начале двадцать первого века, читая его работы, поражаешься проницательности настоящего исследователя. В подтверждение приведу цитату Иоганнсена: «Свойства организмов обуславливаются особыми самостоятельными элементами в половых клетках, которые мы называем «генами». В настоящее время нельзя составить никакого определённого представления о природе генов, мы можем лишь довольствоваться тем, что подобные элементы действительно существуют, но являются ли они химическими образованиями – об этом мы пока не знаем решительно ничего».

Напомню, что в ту далёкую эпоху биологическая функция ДНК была ещё неясна, и долгое время ДНК считалась накопителем фосфора в клетках. Более того, даже в начале двадцатого века многие биологи считали, что ДНК не имеет никакого отношения к передаче информации, поскольку строение молекулы, по их мнению, было слишком однообразным и не могло содержать закодированную информацию.

Итак, в начале двадцатого века из работ Георга Менделя было уже известно, что функция гена – это определение морфологического признака, т.е., один ген – один признак. Однако, связь понятий «ген» и «ДНК» была ещё не установлена.

Следующий прорыв в осмыслении того, чем же является «ген» был совершён британским врачом А. Гарродом, которому удалось установить связь между физической сущностью гена и образованием определённого белка. Работая с пациентами, больными алкаптонурией, Гаррод обнаружил, что данное нарушение вызывается повреждением одного рецессивного гена, и что согласно анализу родословных болезнь проявляется тогда, когда мутантный аллель находится в гомозиготном состоянии. Из этого был сделан важный вывод, что повреждение одного гена вызывает отсутствие одной биохимической реакции.

Итак, рассмотрим утверждение «один ген – одна биохимическая реакция». Так как биохимические реакции катализируются ферментами то, как предположил сэр Арчибальд, ген предопределяет наличие активного фермента. А отсюда рукой подать до вывода «один ген — один фермент». Но такое заключение было сделано только тридцать лет спустя.

В 1940 г. Дж. Бидл и Эдвард Татум, изучавшие регуляцию генами метаболизма у микроскопического грибка Neurospora crassa, получили мутации, при которых отсутствовала активность того или иного фермента в метаболизме. А это приводило к тому, что мутантный гриб был неспособен синтезировать определённый метаболит – лейцин, и мог жить только тогда, когда лейцин был добавлен в питательную среду. Сформулированная Дж. Бидлом и Э. Татумом теория «один ген — один фермент» быстро получила широкое признание у генетиков, а сами ученые были награждены Нобелевской Премией.

Данное открытие привело к бурному развитию микробиологической промышленности, использующей микроорганизмы для продуцирования стратегически важных веществ, таких как антибиотики, аминокислоты, витамины. В основе принципов селекции и генной инженерии штаммов сверхпродуцентов лежит представление, что «один ген кодирует один фермент». И хотя это представление отлично работает на практике, приносит многомиллионные прибыли и спасает миллионы жизней (антибиотики), оно не является окончательным. Один ген — это не только один фермент.

В 1953 г. американский генетик Сеймур Бензер установил, что ген – это линейная структура, кодирующая синтез одного полипептида, а функциональный белок может состоять из нескольких субъединиц, представляющих собой индивидуальные полипептидные цепи, объединённых в единую структуру макромолекулы фермента. При этом полипептиды в индивидуальном виде выполнять ферментативную функцию не способны.

После обнаружения того, что наследственные признаки определяет именно ДНК, а так же после открытия Криком и Уотсоном того, что ДНК – это линейная двунитевая структура, стало ясным, что ген – это участок ДНК, в котором последовательность нуклеотидов определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Расшифровка генетического кода, сделанная в 1961 г. полностью подтвердила это положение.

Но вскоре оказалось, что не все гены кодируют полипептидные цепи. Есть гены, кодирующие РНК, которые матрицами синтеза белков не являются (транспортные и рибосомальные РНК). Но есть ещё один класс генов, которые не кодируют ни полипептиды, ни РНК. Новый тип мутаций и новые функции генов в пятидесятые годы прошлого века обнаружили французские генетики. Оказалось, что у кишечной палочки одна мутация может приводить к исчезновению активности сразу трёх генов. Причем, эта мутация находилась вне этих трёх генов, но приводила к отсутствию активности всех трех ферментов. Выяснилось, что эти три гена транскрибируются ДНК-зависимой РНК-полимеразой. В результате образуется единая длинная матричная РНК, кодирующая все три соответствующих фермента. Стало ясным, что мутации в той части ДНК, которая находится перед тремя структурными генами, приводит к невозможности транскрипции. И в результате одна мутация приводила к отсутствию трёх ферментов.

Участки ДНК, необходимые для транскрипции структурных генов, к которым присоединяются либо РНК-полимераза, либо специальные белки (регулирующие, включающие или выключающие транскрипцию) были названы регуляторными генами. В этих генах расположены особые последовательности нуклеотидов, с которыми связываются регуляторные белки, которые, в свою очередь, имеют для этого в составе своей молекулы специфические последовательности аминокислот, узнающие особые последовательности нуклеотидов. Наиболее распространённые типы регуляторных генов — это промоторы, терминаторы, операторы, энхансеры и сайленсеры.

Если несколько ферментов участвуют в выполнении какой-то одной определённой задачи, например, катализируют цепь биохимических реакций, расщепляющих лактозу или синтезирующих, например, лейцин или триптофан, то очевидно, что синтез каждого из этих ферментов должен быть скоординирован с синтезом других ферментов этого метаболического этапа, иначе единый метаболический процесс не будет работать нормально. Такая организация регуляторных и структурных генов названа опероном. Чтобы оперон заработал, РНК полимераза должна присоединиться к промотору, а репрессор, под действием определённого регуляторного сигнала, отсоединиться от оператора и, тем самым, открыть РНК полимеразе путь для транскрипции структурных генов.

Дальнейшие исследования показали, что внутри генов эукариот всегда есть участки, которые информационного смысла не имеют и не кодируют ни полипептидов, ни стабильных РНК. Эти участки получили название «интроны». А кодирующие участки были названы зкзонами. Экзоны, как оказалось, кодируют части белковых молекул — модули или домены (компактные структуры), играющие важную роль в функционировании белковых молекул. Белковые молекулы состоят из нескольких модулей. Как правило, экзон кодирует участок полипептидной цепи длиной в 30–40 аминокислот. А большинство интронов имеют длину от 40 до 125 нуклеотидных пар. Открытие мозаичной структуры эукариотных генов было сделано в 1977 г. группой американских учёных.

Но возник вопрос: как работают такие мозаичные гены, состоящие из интронов и экзонов? Для функционирования такого гена необходим процесс удаления не кодирующих участков (интронов). После вырезания интронов экзоны должны быть соединены. Этот процесс был обнаружен и получил название «сплайсинг».

Итак, чтобы эукариотный ген заработал, необходимо путём транскрипции создать комплементарную РНК — копию мозаичного гена, состоящую из экзонов и интронов, удалить интроны из РНК, а экзоны объединить. Полученный окончательный транскрипт, теперь приобретший смысл, уже может быть использован для реализации его функции. Таким образом, если в гене есть N интронов, то для сплайсинга необходимо N стадий вырезания интронов и сшивания экзонов. И если в какой-нибудь стадии произойдёт ошибка, например, при вырезании интронов будет вырезан один нуклеотид из экзона, это приведёт к тому, что ген свою функцию не выполнит, и «наказанием» за такую неточность будет или смерть, или тяжёлое нарушение жизнеспособности, что в ряду поколений опять же приведет к летальному исходу.

Для чего же такая дорогостоящая и опасная в случае ошибок сложность? Оказалось, что ген может кодировать не один белок. Окончательная структура белка зависит от пути модификации мРНК после транскрипции. Интроны могут превратиться в экзоны и наоборот. Феномен, посредством которого определённый ген может содержать информацию и определять образование более, чем одного белка, получил название «альтернативный сплайсинг генов».

Альтернативный сплайсинг генов объясняет, каким образом геном человека, включающий около 30 тыс. генов, может кодировать в сотни раз больше белков. И тут мы приходим к выводу, что один ген — множество белков

Итак, путь стыковки экзонов, принадлежащих одному гену, может быть множественным. Некоторые экзоны могут удаляться вместе с интронами. Такой альтернативный сплайсинг приводит к тому, что один и тот же ген может кодировать семейство структурно схожих, но функционально различных белков. На данный момент известное максимальное количество разных белков, которое может кодировать один ген, составляет около 40 000!

Таким образом, альтернативный сплайсинг позволяет увеличить разнообразие белковых продуктов генов, сохраняя при этом относительно небольшое количество различных генов в геноме и не создавая избыточных копий генов. Разные варианты альтернативного сплайсинга одной пре-мРНК могут осуществляться в разные периоды развития организма и/или в разных тканях, а также у разных особей одного вида.

Но вернёмся к вопросу о том, что же такое «ген». Как мы видим, один ген может кодировать множество белков, либо несколько генов кодируют один белок.

Таким образом, ген – это длинная не кодирующая последовательность нуклеотидов, в которой расположены кодирующие участки, способные после вырезания и объединения в строго определённой очерёдности кодировать определённую функцию.

И то, что сначала наивно полагали бессмысленным (интрон) на самом деле оказалось весьма эффективным и экономичным способом кодирования множества смыслов за счёт ограниченного числа знаков. Более того, если сравнивать между собой кодирующие последовательности (экзоны) в геномах мыши и человека, то окажется, что они идентичны на 99%! Но почему же мы тогда так не похожи на мышей?

Может быть и потому, что, несмотря на такую схожесть генов у человеческих генов альтернативный сплайсинг идёт или по другому пути, или является более множественным. Или и то и другое одновременно.

Альтернативный сплайсинг предоставляет эволюции практически безграничные возможности. Ведь материал эволюции — это генетическое разнообразие, а двигатель — естественный отбор. А ведь альтернативный сплайсинг приводит к такому разнообразию белков, что… Вот, посудите сами: комбинация только из трех генов, каждый из которых может кодировать только 1000 вариантов белков, даёт 1000000000 возможностей для естественного отбора (1 млрд изоформ трех белков). А если таких генов 1000? А если 10000?

Итак, открытие принципов организации и экспрессии эукариотных генов поставило перед наукой новые проблемы и новые задачи.

Что дадут нам ответы на вновь появляющиеся, словно головы Гидры, вопросы? Для чего ежегодно выделяются многомиллардные бюджеты на генетические исследования?

Наука имеет прикладные и фундаментальные аспекты. Каждый день мы сталкиваемся с плодами научных изысканий, о которых даже не подозреваем, или с теми, которые уже стали обыденностью. Антибиотики, инсулин, аминокислоты и витамины можно найти в любой аптеке. Прогнозирование и лечение наследственных болезней, пренатальная диагностика, выявление предрасположенности к различным зависимостям, таким как алкоголизм; установление родственных связей, ДНК-тесты в криминалистике – все это далеко не полный список тех возможностей, которые открыла нам генетика.

Фундаментальные философские проблемы, которые неизбежно задает себе мыслящий человек, так же без понимания того, что такое ген, не смогут получить достаточно полных ответов. Кто наши эволюционные предки? Когда появилась жизнь на планете? Возможно ли победить старость? Эти и многие другие вопросы поможет нам разрешить более глубокое понимание генетических принципов и закономерностей. И, наконец, мы просто хотим знать. Это принципиально выделяет человека среди других животных и выражается в основной цели науки, как таковой – установление истины. Но, как мы видим, истина подобна горизонту, в направлении которого можно идти, но невозможно окончательно прийти. Чем более чёткий образ мы пытаемся создать, тем более таинственной и новой гранью удивляет нас она, как бы подсказывая нам, что пределов для познания не существует.