Бактерии тоже принимают решения
Любимый анекдот всех карьеристов – про человека, который жалуется психиатру, что у него очень тяжёлая работа. В ходе дальнейших расспросов выясняется, что по транспортной ленте движутся апельсины, а человек складывает крупные в одну корзину, а маленькие – в другую. «Но почему же это трудная работа?» – спрашивает врач. «А Вы тоже не понимаете? – огорчается пациент. – Я всё время вынужден принимать решения!»
Оказывается, проблема выбора возникла гораздо раньше, чем сортировка апельсинов и любая другая высшая нервная деятельность. При этом в цивилизованном обществе неправильный выбор грозит в худшем случае увольнением с работы, а вот в реальной жизни он означает вымирание. Если у вас проблемы с тем, чтобы активировать те гены, которые нужно, и именно тогда, когда нужно, то вы вместе со всеми вашими нерождёнными потомками навсегда уходите со сцены. Только существа, которые правильно выбирают, наследуют Землю.
Жизнь тяжела даже для бактерии. Что бы ни случилось во внешней среде – похолодало, потеплело, появились соседи, вирусы, еда, из тысяч возможных молекул нужно выбрать или построить именно те, которые помогут справиться с изменениями. Но ещё сложнее жизнь для клеток многоклеточного организма. Каждая из них должна не только решать текущие задачи, но и выбрать свой жизненный путь таким образом, чтобы принести организму как можно больше пользы и как можно меньше вреда. Если в эмбриональном развитии клетка оказалась частью мозга, она не должна вести себя как клетка печени. Если во взрослом организме клетка оказалась потенциально опасной, она должна совершить самоубийство. От способности клеток нашего организма играть по правилам – а значит, прежде всего понимать их – зависит наше существование.
Перефразируя Оруэлла, биолог может сказать: «Я понимаю – зачем; я не понимаю – как». Что позволяет клетке каждый раз принимать правильное решение? Какие молекулярные механизмы вынуждают её впадать в анабиоз, когда еды нет, размножаться, когда еда есть, и ежедневно принимать сотни тысяч менее глобальных решений – почти всегда правильных? Что мы уже знаем об этих механизмах, что предстоит выяснить и как мы можем их использовать? Один из учёных, работающих над этой проблемой, – специалист по молекулярной генетике Константин Северинов. На прошлой неделе он прочёл публичную лекцию о генетических переключателях – молекулярных системах, способных изменять работу генов.
Как бактерии питаются молоком
«Бактериальные клетки только кажутся простыми, на самом деле это очень умно устроенные маленькие эффективные машинки. Гораздо более эффективные, чем все мы с вами», – начинает Северинов рассказ о пищедобывательной стратегии кишечной палочки E. coli. Для неё, так же, как и для всех живых существ в мире, глюкоза – самая лучшая еда. Если глюкоза есть, то всё в порядке, в этом случае ни на какие другие источники энергии можно вообще не обращать внимания. А вот если глюкозы нет, то приходится думать, чем бы её заменить или из чего добыть. И если в окружающей среде есть молочный сахар, лактоза, то это неплохой вариант: бактерия E. coli вполне способна расщепить его на два более простых вещества – глюкозу и галактозу. Для того чтобы переваривать молочный сахар, бактерия использует специальный фермент – β-галактозидазу. Этот фермент вырабатывается только тогда, когда, во-первых, в окружающей среде есть лактоза и во-вторых, отсутствует глюкоза, и, значит, её нужно добывать из других веществ.
Синтез любого белка, в том числе и β-галактозидазы, начинается с транскрипции – прочтения соответствующего гена. РНК-полимераза, фермент, который читает нуклеотидную последовательность ДНК, должна присоединиться к промотору – участку, с которого начинается считывание гена (или группы генов).
В ситуации когда молочного сахара нет вообще, не производится и нужный для его переваривания фермент, β-галактозидаза. Такая экономия ресурсов достигается благодаря тому, что с промотором гена β-галактозидазы связан белок-репрессор, который физически не позволяет РНК-полимеразе связаться с ДНК и начать транскрипцию.
Репрессор не позволяет РНК-полимеразе связаться с промотором, и поэтому β-галактозидаза не синтезируется
Когда в клетке появляется лактоза, она сама же и снимает запрет на производство фермента, нужного для её расщепления. Молекула лактозы связывается с белком-репрессором, в результате чего он меняет конформацию и отсоединяется от ДНК.
Теперь нужный фермент производится, но в очень незначительном количестве. Дело в том, что промоторы бывают разные: к некоторым РНК-полимераза присоединяется охотно, а к некоторым – не очень. Промотор гена β-галактозидазы слабый: он мало «привлекает» РНК-полимеразу, и нужна дополнительная «приманка».
Приманка начинает работать в том случае, если в клетке очень мало глюкозы. Значит, хочешь не хочешь, а использовать альтернативные источники пищи необходимо.
Отсутствие глюкозы – это настоящий голод, а в случае голода клетка вырабатывает молекулы-алармоны (от англ. alarm – тревога), которые служат сигналом для перестройки всей её жизнедеятельности.
В роли одного из таких посредников выступает циклический аденозинмонофосфат, цАМФ. Молекула этого вещества взаимодействует с белком, активирующим катаболизм, – CAP (catabolism activating protein), а образовавшийся комплекс связывается с промотором гена β-галактозидазы. CAP притягивает РНК-полимеразу к промотору и увеличивает вероятность того, что ген β-галактозидазы будет прочитан.
Эти два события – блокировка репрессора и активация CAP – приводят к активному производству β-галактозидазы. Клетка теперь может использовать молочный сахар в качестве пищи, что позволяет ей выйти из состояния голода и продолжить рост.
Присутствие белка CAP повышает вероятность того, что РНК-полимераза свяжется с промотором и ген начнёт считываться
«Изучение этой системы внесло исключительно большой вклад в понимание общих принципов работы генов», – поясняет Северинов. Регуляцию лактозного оперона описали французские учёные Жак Моно (Jacques Monod) и Франсуа Жакоб (Francois Jacob), получившие впоследствии вместе с Андре Львовым (Andre Lwoff) Нобелевскую премию «за открытия, касающиеся генетического контроля синтеза ферментов и вирусов».
Лактозный оперон вошёл во все учебники, потому что он иллюстрирует базовые принципы регуляции экспрессии генов, задействованные как в ингибировании, так и в активации транскрипции. Используя эти принципы, природа составляет сколь угодно сложные генетические переключатели, которые реагируют на изменение условий внешней среды.
Например, можно организовать «разумный» выбор между экспрессией двух разных, взаимоисключающих друг друга групп генов.
Как вирусы решают проблему планирования семьи
Бактериофаги – это вирусы, поражающие бактерий. Их типичный жизненный путь выглядит так: впрыснуть свою ДНК в бактерию – использовать её ферменты для синтеза своих белков и новых копий своей ДНК – собрать новые вирусные частицы – уничтожить бактерию и отправиться к новым победам. Такой цикл называется литическим (от греч. Λυσις – растворение). «Такая стратегия используется очень многими вирусами, – рассказывает Северинов. – Они очень эффективно могут уничтожить все клетки вокруг. Но потом, конечно, непонятно, что им делать. Потому что если они уничтожили все клетки, то они сами потом тоже умрут». Многие бактериофаги умеют поступать по-другому: они могут встраивать свою ДНК в геном хозяина и пребывать там в «молчащем» состоянии, позволяя клетке расти, делиться и передавать гены вируса своим потомкам. Такое состояние называется лизогенным. Как видно из названия, это означает, что однажды бомба замедленного действия сработает, бактериофаг вернётся к литическому циклу и уничтожит бактерию.
Очевидно, что бактериофаг должен обладать молекулярной системой, контролирующей переход от одной стратегии жизни к другой. «Если бы вы были вирусом, то решение о том, пойти по литическому или лизогенному пути, имело бы смысл принимать в зависимости от физиологического состояния клетки, – объясняет слушателям Северинов. – Тот из вас, кто выберет неправильное решение, гарантированно вымрет». Лучшее решение для бактериофага – это размножаться литически, если вокруг него много быстрорастущих бактерий, хорошо обеспеченных пищей (а значит, его потомкам будет кого заражать), но пойти по лизогенному пути, если количество бактерий невелико и чувствуют они себя не вполне комфортно. С другой стороны, бактериофагу, находящемуся в лизогенной клетке (такого фага называют профагом, чтобы подчеркнуть его неактивное состояние), нужно уметь переходить к литическому размножению, если бактерии грозит скорая гибель, – в порядке бегства с тонущего корабля. Возможно, фаговым детишкам повезёт, и они встретят более удачливую бактерию.
Бактериофаг λ, паразит E. coli и классический объект вирусологических исследований – один из фагов, способных к литическому и лизогенному жизненному циклу. В его ДНК есть регуляторный участок, содержащий два промотора, направленных в разные стороны. Этот участок очень мал, и поместиться на нём может только одна молекула хозяйской РНК-полимеразы. Она пойдёт либо в одном, либо в другом направлении, и продукт первого же гена, который она прочитает, закрепит сделанный выбор: альтернативный промотор будет заблокирован, и вирусу придётся следовать выбранному пути, до тех пор пока условия внешней среды не заставят его пересмотреть своё решение.
Например, в случае лизогенного состояния считывается всего один ген, сI. Его продукт, λ-репрессор, связывается с ДНК альтернативного промотора и блокирует работу генов, необходимых для литического пути. Одновременно λ-репрессор стимулирует свой собственный синтез, пока его количество в клетке невелико, а после достижения определённой концентрации, наоборот, подавляет транскрипцию своего гена. Такая система авторегуляции позволяет поддерживать постоянную концентрацию репрессора. «Клетка может делиться миллионы раз, но лизогенное состояние совершенно стабильное. Ни один вирусный ген, кроме сI, не транскрибируется», – объясняет Северинов.
С регуляторным участком ДНК бактериофага может связаться только одна РНК-полимераза. Если она будет двигаться влево, бактериофаг перейдёт в лизогенное состояние, а если вправо – он приступит к литическому размножению. В обоих случаях продукт первого гена заблокирует альтернативный промотор, и следующая РНК-полимераза будет вынуждена двигаться в том же направлении
Состояние перестанет быть стабильным, если заражённая профагом клетка окажется в очень неблагоприятной ситуации, например, получит высокую дозу радиации, и с высокой вероятностью должна будет погибнуть. «Когда клетке плохо, она начинает есть саму себя, переваривать свои собственные белки, – поясняет Северинов. – И увеличивается количество специальных ферментов, которые называются протеазами». Они расщепляют имеющиеся в клетке белки, и одной из первых жертв становится как раз λ-репрессор, белок, очень чувствительный к внутриклеточным протеазам. Теперь, когда регуляторный участок освобождён от молекул, поддерживающих лизогенный жизненный цикл, вирус сможет перейти к литическому пути. При этом продукт первого гена, который прочитает РНК-полимераза, двигающаяся вправо, – это белок Cro, который тоже связывается с регуляторным участком. Он запрещает транскрипцию гена λ-репрессора. Так принимается окончательное решение о переходе к литическому пути. За геном Cro расположены гены, кодирующие белки вируса. После накопления этих белков вирусное потомство выходит из обречённой клетки во внешнюю среду.
Многоклеточность: дополнительные трудности
Многоклеточный организм должен обладать ещё более совершенными механизмами регуляции транскрипции, чем одиночная клетка. Во-первых, необходимо интерпретировать большое количество сигналов и отвечать на них изменением активности самых разных генов – так решается проблема создания сотен типов разных клеток на базе одинакового для всех генома. Во-вторых, регуляция должна быть надёжной: ошибка в истолковании сигналов единственной клеткой может привести к проблемам для всего организма. В-третьих, система должна быть гибкой, чтобы оставалась возможность изменений и перенастройки как в ходе индивидуального развития, так и в ходе эволюции.
На самом деле все фундаментальные принципы регуляции работы генов многоклеточные унаследовали от общего с E. coli предка: клетка получает сигналы, переводит их на понятный для ДНК язык и повышает (или снижает) вероятность того, что конкретный ген будет прочитан РНК-полимеразой. «Любая клетка – это просто мешочек, очень маленький мешочек с концентрированным раствором макромолекул, которые могут друг с другом взаимодействовать», – говорит Северинов. Гормон взаимодействует с рецептором, фермент – с субстратом, транскрипционный фактор – с ДНК, и всё это называется жизнью. Разница между клетками высших организмов и бактерий количественная: наши клетки крупнее и сложнее, и разнообразных репрессоров и активаторов транскрипции генов в них намного больше. У всех эукариотических организмов, даже одноклеточных, в регуляции транскрипции какого-либо гена задействовано так много факторов, что они физически неспособны все вместе вступить в прямой контакт с РНК-полимеразой и передать ей свои сигналы. Поэтому эукариоты обзавелись очень крупным белковым комплексом, который гордо называется Медиатором с большой буквы. Он одновременно взаимодействует со всеми факторами транскрипции, суммирует полученную от них информацию (нередко противоречивую), а затем привлекает РНК-полимеразу к тому или иному промотору.
Самый сложный период в жизни многоклеточного – это, разумеется, эмбриональное развитие, во время которого нужно быстро создать из единственной оплодотворённой яйцеклетки все необходимые будущему организму типы клеток, отличающихся друг от друга профилем экспрессии генов. Клетка определяет, кем она должна стать, благодаря химическим сигналам от соседних клеток. Её судьбой руководят сложные алгоритмы типа «если вещества А много, вещества В мало, а вещества С нет совсем, то я запускаю синтез белкового комплекса D». Судьба клетки не является её личным выбором – это неизбежное следствие её природы (генотипа) и обстоятельств, в которых она оказалась (градиентов концентрации различных веществ). Это обеспечивается за счёт регуляторных участков генов: если данная комбинация факторов A, B и C подразумевает производство белкового комплекса D, это означает, что регуляторные участки всех нужных для него генов будут восприимчивы именно к этой комбинации сигналов. Постепенное развёртывание этой программы во времени приводит к появлению полноценного организма, ведь D потом воздействует на что-то ещё, и так далее.
Система регуляции работы генов очень надёжна: мы все живы и здоровы только благодаря тому, что наши гены работают там и тогда, когда это нужно организму. Однако редкие нарушения этого процесса – изменения комбинаций транскрипционных факторов, задействованных во включении или выключении отдельных важных генов, – могут быть ответственны за то, что мы вообще есть. «В ходе эволюции, по-видимому, изменения активности генов в развитии, пускай даже очень небольшие, при сохранении общего набора генов могут приводить к удивительным эффектам, в частности видообразованию», – говорит Северинов. Именно это, видимо, произошло с нами и нашими ближайшими родственниками – шимпанзе.
АНАСТАСИЯ КАЗАНЦЕВА
Справка STRF.ru:
Северинов Константин Викторович руководит тремя исследовательскими группами: в Институте молекулярной генетики РАН, Институте биологии гена РАН и в Университете Ратгерса (США). Все они – каждая со своей точки зрения – изучают механизмы реализации генетической информации и факторы, которые могут влиять на этот процесс. Публичная лекция Северинова «Как устроен генетический переключатель» была прочитана в четверг, 3 февраля, в рамках проекта «Публичные лекции Полит.ру»
