6.5. Перенос генетической информации в природе
Концепция генетического кода имела принципиальное значение для генетики, поскольку постулировала существование в природе определенной системы передачи информации. Пути переноса информации легли в основу представлений, которые Ф. Крик назвал центральной догмой молекулярной биологии. Основной порядок переписывания генетической информации в живой природе стал выражаться формулой:
ДНК ? РНК ? белок.
Такой поток информации реализуется в подавляющем большинстве живых систем. Единство генетического кода и общность потока генетической информации в природе показали, что эти явления произошли на самом раннем этапе эволюции жизни. Однако оба этих фундаментальных процесса имеют свои исключения. Вариации генетического кода мы рассмотрели выше. У некоторых вирусов были обнаружены особые варианты переноса информации – от РНК к РНК и от РНК к ДНК.
Огромное теоретическое значение имело открытие обратной транскрипции, вызвавшее широкий резонанс в научных кругах. Это открытие резко меняло устоявшиеся в генетике представления. При обратной транскрипции на РНК-матрице синтезируется двунитиевая структура ДНК (сначала одна нить, затем – другая). Этот процесс катализируется ферментом обратной транскриптазой (или РНК-зависимой-ДНК-полимеразой). Обратная транскриптаза была открыта в 1970 г. (Baltimore D., 1970; Temin H., Mizutani S., 1970) при исследовании так называемых ретровирусов. Синтезированная ими молекула ДНК встраивается в хромосому клетки-хозяина и при делении передается дочерним клеткам. В такой форме геном вируса может существовать долгое время, переходя от родителей к потомкам. Скрытая интегрированная форма вируса получила название провирус. При активации провируса происходит воспроизведение РНК ретровируса. Эта РНК может транслироваться, синтезируя вирусные белки (в том числе и обратную транскриптазу), и образовывать новые вирусные частицы, покрытые оболочкой.
Явление обратной транскрипции оказалось отнюдь не экзотикой. В настоящее время ретровирусам отводится определенная роль в эволюционном процессе как переносчикам генетической информации между организмами разных систематических групп. При образовании новых вирусных частиц активированного провируса может захватываться часть генетического материала клетки-хозяина и передаваться другим организмам, минуя межвидовые барьеры. Эволюционная роль ретровирусов будет рассмотрена ниже.
Таким образом, с учетом явления обратной транскрипции, общая схема передачи информации в природе стала представляться следующим образом:
Особую остроту в генетике приобрел «запрещенный» перенос – от белков к нуклеиновым кислотам. Само название указывает на принципиальную невозможность наследования модификационных изменений белков. Но как уже говорилось выше, в истории генетики этот вопрос вновь и вновь оказывался в центре дискуссий. Не поставлена точка и в настоящее время.
Сенсационным стал результат анализа прионных болезней. Он оказался столь неожиданным, что поставил под сомнение незыблемость центральной догмы биологии (Инге-Вечтомов С. Г., 2000).
Прионы – это инфекционные агенты, вызывающие ряд нейродегенеративных заболеваний. Патогенез прионных заболеваний принципиально отличен от патогенеза всех других известных инфекционных болезней, поскольку прионы лишены нуклеиновой кислоты и представляют собой белки. Основной вклад в исследования прионов внес американский биохимик, лауреат Нобелевской премии С. Прусинер (Prusiner S., 1998). Он же предложил и термин «прион» (Proteinciuos infection).
Белок-прион обозначается как PrPSc. Он гомологичен обычному клеточному белку (255 аминокислотных остатков) – PrPC, находящемуся в клетках нервной системы, некоторых тканей и лимфоцитах. PrPSc и PrPC имеют одинаковую первичную структуру, но различаются по вторичной и третичной структурам. Они кодируются геном, весьма похожим у всех млекопитающих. У человека этот ген расположен на 20-й хромосоме. Он характеризуется выраженным полиморфизмом: в настоящее время у человека обнаружено 15 его вариантов (Ещенко Н. Д., 2004).
Прионы образуются путем посттрансляционной модификации нормального клеточного белка PrPC. Благодаря такой модификации прионы приобретают свойства инфекционности. Молекула PrPC, сталкиваясь с молекулой PrPSc, меняет свою конфигурацию и сама становится PrPSc. Инфекционность прионов, т. е. воспроизводимость их модифицированной структуры даже в другом организме, является самой большой загадкой. Единичный прион превращает все вновь синтезированные полипептиды клетки с близкой ему первичной структурой в свое подобие. Таким образом, белки-прионы выступают в роли матрицы, вызывая изменение вторичной и третичной структуры(рефолдинг) клеточного белка PrPC.
Возможным объяснением этого явления может служить гипотеза конформационных матриц – наличие в клетке двух категорий матричных процессов: для последовательностей мономеров и для конформации молекул (Инге-Вечтомов С. Г., 2000). Такой взгляд заставляет еще раз пересмотреть центральную догму биологии и внести в нее необходимые изменения.
Однако в молекулярной природе прионов еще очень много неясного, поэтому следует остерегаться скоропалительных выводов. Прионы в настоящее время интенсивно изучаются. Причиной столь пристального внимания служит не только большой теоретический интерес, но и неизлечимость на сегодняшний день прионных болезней.
