Дарвинизм в XX веке - Медников Борис Михайлович - Страница 32

Но так бывает далеко не всегда. Во многих случаях вирус не подавляет клетку своим бурным размножением, а предпочитает встроиться в геном хозяина, передаваясь его дочерним клеткам при каждом новом их делении. Разбойник становится приживальщиком. Это легко сделать ДНК-содержащим вирусам, но как быть РНК-содержащими? Выход один — стать ДНК-содержащими. В белковых оболочках таких вирусов есть особый фермент (обратная транскриптаза, или, как его еще называют, ревертаза), который синтезирует ДНК на нити РНК, и вновь синтезированная ДНК встраивается в геном хозяина. Это явление сейчас усиленно изучается — ведь оно широко распространено у онкогенных вирусов!

Одним из важнейших достижений биологии XX столетия является разгадка способа, при помощи которого генетическая информация закодирована в ДНК, и путей, которыми она передается на белок, а через белок определяет все признаки фенотипа. «Алфавит» жизни, генетический код, представляет тройные сочетания четырех нуклеотидов. Всего может быть 64 таких сочетания; из них 61 кодирует двадцать используемых в белках аминокислот, а три знаменуют окончание «белкового слова», на них синтез белка обрывается. Каждая из аминокислот кодируется несколькими сочетаниями нуклеотидов (триплетами, или, как их иногда называют, кодонами). Такой код называют вырожденным.

Слово «вырожденный» звучит неприятно и даже обидно. Однако ничего обидного в нем нет. Оно просто означает, что на каждую аминокислоту приходится не один, а несколько кодонов. Аналогию можно найти в языке — в соотношениях между звуками и буквами. Нередко одному звуку соответствует несколько букв. Так, в старорусской орфографии было два обозначения для звука «ф» (ферт и фита) и целых три для «и» («и» просто, «и» с точкой и редко применявшаяся ижица). Реформа 1917 года резко снизила вырожденность нашей орфографии, но не уничтожила ее. Именно поэтому Маяковский мог рифмовать — ленив, лифт, прилив — «в» и «ф» в конце слова читаются одинаково.

Какое же значение имеет вырожденность генетического кода для эволюции? Весьма большое — она значительно повышает надежность передачи информации с ДНК на белок. Сначала на матрице ДНК синтезируется так называемая информационная ДНК — так с исходных чертежей снимаются рабочие копии. При этом перекодировки не происходит — лишь тимин заменяется урацилом. На нити информационной РНК (сокращенно иРНК) синтезируются крошечными фабриками белка — рибосомами белковые молекулы. Как раз отсутствие рибосомного аппарата и заставляет вирусы быть облигатными, обязательными, паразитами.

Рибосома «считывает» генетическую информацию с иРНК, причем алфавит из 64 триплетов сменяется алфавитом из 20 аминокислот. Большая часть последних нуклеотидов в триплете необязательна для точного прочтения. Поэтому, если точковая мутация или ошибка считывания изменит третий нуклеотид, то беды не будет — в белок будет включена та же аминокислота и в том же месте.

А если мутация затронет первый или второй нуклеотид? Здесь положение сложнее, но отнюдь не безнадежно. Эта проблема — лишь часть гораздо более общего вопроса о так называемой неизбежной вредности мутаций.

Данные молекулярной биологии позволили по-новому оценить значение мутаций в эволюции. До сих пор распространено мнение о неизбежной вредности мутаций (излюбленная аналогия — попытка улучшить ход часов, ударяя их об стену). Сама по себе эта точка зрения довольно бессмысленна и недиалектична. Мутация вредна — но в каких условиях? Мы уже видели, что для обезьяны в условиях ее обычной диеты мутация в гене фермента, синтезирующего витамин С из глюкозы, безразлична, а у человека может стать причиной цинги. Есть и более эффектные примеры. Известны случаи, когда концентрация гена, летального для гомозигот, тем не менее поддерживается в популяции на высоком уровне, потому что гетерозиготы обладают большим селективным преимуществом.

У человека известна мутация, вызывающая серповидноклеточную анемию (ген S). При этой болезни эритроциты гомозигот имеют форму не круглой лепешки, а серпа. Кислород эти клетки связывают плохо, и рецессивные гомозиготы гибнут в младенчестве от анемии. Согласно уравнению Харди — Вейнберга, концентрация гена S должна быть низкой. На деле она достигает 36–40 % у ряда африканских племен. Оказалось, что гетерозиготы не заболевают малярией или сравнительно легко переносят ее. Установлена прямая связь между заболеваемостью малярией и частотой носительства гена S. Сходный эффект вызывают гены Т (средиземноморские страны) и некоторые другие. Любопытно, что гены, не обеспечивающие иммунитет к малярии, отбором не закрепляются (мутанты гемоглобина Пенджаб, Аравия, Сан-Хозе, названные так по месту обнаружения, и ряд других). Почему же ген S дает устойчивость к малярии?

Оказалось, что в гене S произошла точковая мутация, вызвавшая в строго определенном положении замену глутаминовой кислоты на другую аминокислоту — валин. В результате гемоглобин для малярийного плазмодия стал ядовитым.

Отсюда видно, что отбор исходит из интересов всей популяции и как бы равнодушен к судьбам отдельных особей. В результате вырабатывается механизм, при котором гомозиготы SS гибнут (в данном случае до миллиона детей ежегодно), но в целом популяция приспособлена к среде, где важным фактором является возбудитель малярии, из-за мутации, летальной для значительной ее части[10].

Кроме того, разные мутации по-разному изменяют фенотип. Сравним мутацию — с ампутацией: ампутация головы летальна, ампутация конечности понижает жизнеспособности организма. Но ведь возможны ампутация пальца, мозоли, злокачественной опухоли; они могут быть не только нейтральными, но и полезными.

В классической генетике чаще всего использовались для анализа мутации, довольно резко изменяющие строение фенотипа. Такие изменения генома действительно существенно снижали жизнеспособность фенотипа — вплоть до нуля. Анализ аминокислотных замен в белках открыл перед генетиками всю широту мутационных изменений. Прежде всего вырожденность кода приводит к тому, что далеко не каждая мутация изменяет аминокислотную последовательность. Если же замена произошла, например, не в функциональной части молекулы фермента и не изменила существенно ее структуры, свойства белка меняются очень незначительно. Эти-то ничтожные изменения, приводящие к сдвигу оптимальной зоны действия фермента, снижению или повышению его активности, большей или меньшей избирательности субстрата, и являются основным материалом для эволюционного процесса. Так по-новому осмысливается положение Дарвина: «Природа не делает скачков». Хотя каждая мутация — скачкообразное, качественное изменение генома (нуклеотид в триплете может быть либо тем, либо другим — середины нет), подавляющее большинство этих скачков лишь незначительно изменяют фенотип и создается неверное представление о постепенных количественных изменениях. Причина слабого воздействия большинства мутаций на фенотип — сохранение при мутации полярности аминокислот.

Аминокислоты, входящие в состав белков, различаются по химическим свойствам на полярные и неполярные. Полярные аминокислоты обладают группами с резко выраженным сродством к молекулам воды, они как бы смачиваются ею. Неполярные, наоборот, слипаются друг с другом. Поэтому произошедшая в результате мутации замена полярной аминокислоты на неполярную (и наоборот) резко изменяет всю конфигурацию белковой молекулы, ее вторичную структуру. Такие мутации часто бывают летальными (в гене S и произошла подобная замена полярной глутаминовой кислоты на неполярный валин). Однако, как показывают расчеты, генетический код построен так, что точковая мутация в большинстве случаев не изменяет полярности аминокислоты. Поэтому конфигурация белковой молекулы меняется не так значительно. В настоящее время большинство исследователей полагает, что на одну крупную мутацию, существенно изменяющую фенотип, а потому, возможно, летальную, приходятся сотни, а то и тысячи для нас практически незаметных. Мы можем их обнаружить, лишь определив аминокислотную последовательность в белке мутантной формы.