Второй информационный слой ДНК
Друзья, мы продолжаем цикл статей «С точки зрения науки». В них мы приводим информацию, посвящённую разного рода теориям, научным исследованиям и открытиям, которые так или иначе перекликаются с системой Дизайна Человека.
Что делает нас с вами такими, какие мы есть? Фактически, это определённая в молекуле ДНК последовательность чередования оснований, которые находятся в каждой клетке нашего тела. Однако многие учёные, изучающие ДНК, приходят к выводу, что существует не только основная последовательность. Есть мнение, что существует скрытый, альтернативный язык, кодирующий жизненно важную информацию генома, но на другом уровне и другим способом. Информация, которая кодируется с его помощью, призвана быть в некотором роде руководством к действию, используя которое, клетки нашего организма получают возможность распознать и обработать основной массив информации в строго определённой последовательности.
Летом 2016-го года на страницах «Plos One», международного междисциплинарного рецензируемого научного журнала с открытым доступом для публикаций научных исследований и обзоров в сфере естественных и медицинских наук, увидела свет работа группы нидерландских учёных. Они сумели доказать, что в ДНК человека есть второй, скрытый информационный слой.
Как ДНК кодирует структуру белков
Как известно, ДНК – это макромолекула, которая обеспечивает хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Молекула ДНК хранит биологическую информацию в виде генетического кода, состоящего из последовательности нуклеотидов. Всего в состав молекулы ДНК входит четыре вида азотсодержащих нуклеотидных оснований, обозначаемых буквами «А», «Т», «С» и «G». Это те самые «кирпичики», из которых потом строится и воспроизводится всё живое на нашей планете.
Каждая клеточка нашего тела содержит около 30 тысяч различных генов, в которых содержатся коды, согласно которым синтезируются белки и определяется порядок расположения в них аминокислот. Какой бы орган, железу, ткань или любой другой фрагмент человеческого тела мы не рассматривали, везде будет находиться один и тот же набор генов. При этом в зависимости от типа клеток — кожных, нервных или мышечных — для синтеза новых белков в них задействуются различные гены.
Длинные цепочки ДНК, которые мы могли видеть в учебниках по биологии, плотно сжаты в хромосомах клетки. Они расположены компактно за счёт особых белков, вокруг которых наматываются «нити» ДНК. Однако в клетках есть и другие белки, которые, чтобы упростить процесс синтеза новых белков согласно содержащемуся в ДНК коду, при необходимости переводят ДНК из компактной формы в развёрнутую. Под их воздействием готовящиеся к делению клетки хромосомы разворачиваются и занимают в 10 тысяч раз больше места.
Нуклеотиды, которые входят в состав длинных молекул ДНК, расположены в определённом порядке. Это необходимо для того, чтобы обеспечивать кодирование белков при их синтезе, который происходит из 20 различных видов аминокислот. Сами молекулы ДНК при этом выполняют роль матрицы, где каждому белку соответствует свой ген, по образцу которого осуществляется синтез аминокислот, образующих нужный белок.
Таким образом, генетический код воплощается в белках, при этом последовательность нуклеотидов в гене определяет последовательность аминокислот в белке.
Для лучшего понимания можно вспомнить азбуку Морзе. Точка, тире и их сочетание соответствуют определённым буквам. Точно так же последовательность нуклеотидов, которые считывают по три за раз, соответствуют последовательности аминокислот в белке. При этом набор из трёх нуклеотидов, которые считываются за один раз, кодирует одну аминокислоту. Так, например, набор нуклеотидов AAG кодирует аминокислоту лизин, а набор нуклеотидов AUG кодирует метионин, и т.д.
Всего существует 64 комбинации нуклеотидов, при этом синтезируется только 20 видов аминокислот, потому что некоторые троичные последовательности используются для обозначения прерывания процесса синтеза.
Не бывает ненужных или бессмысленных наборов троичных нуклеотидов. Каждый из них важен и выполняет свою функцию. Самый крупный ген состоит из двух миллионов нуклеотидов, а самый маленький – всего из тысячи.
Процедура «считывания» информации с генов начинается с открытия малой части двойной спирали ДНК в конце хромосомы. Коды на этом участке хромосомы копируются на растущую молекулу РНК, а белковый копирующий механизм при этом движется вдоль нити ДНК. Завершается процесс переноса генетического кода тогда, когда на конце РНК формируется терминальная группа аминокислот. Её присутствие свидетельствует об окончании белковой цепочки данного кода.
Последовательность чередования оснований в молекулах определяет ту информацию, благодаря которой клетки нашего тела вырабатывают строго определённое количество нужных белков и поддерживают различные жизненно важные функции. Однако несмотря на то, что во всех клетках содержится один и тот же набор генов, они развиваются по-разному, что подтверждает существование клеток тканей различных типов, из которых формируются различные органы. И это был один из моментов, который заставлял учёных искать способ раскрыть пока что не до конца расшифрованную информацию.
Как уже было отмечено, длинные цепочки ДНК находятся в сжатом виде. При этом известно, что в «распутанном» виде их длина может достигать двух метров. Согласно гипотезе, которая довольно долго существовала в научном сообществе, механические свойства молекулы ДНК определяют то, каким образом она будет «свёрнута» внутри клетки. И современные исследования, проведённые группой Лейденского института физики (Leiden Institute of Physics) под руководством Хельмута Шисселя, эту гипотезу подтверждают: изменение формы молекулы приводит к изменению «свёртки» спирали ДНК.
Этот факт и позволил говорить о присутствии в ДНК второго механизма кодирования, который играет в ходе поддержки воспроизводства белков не меньшее значение, чем основной генетический код.
Ещё одно подтверждение открытия
Основной генетический код, который содержится в ДНК, частично расшифровали ещё в конце ХХ-го века. И с того момента научное сообщество было уверено в том, что в этом коде записана только информация о белках, которые вырабатываются клетками организма как ответ на внешние события и раздражители, и больше ничего. Даже несмотря на то, что с течением времени знаний стало больше, принцип «одноязычного» кодирования ДНК оставался неизменным.
Но время шло, исследования продолжались. В 2013-м году группой учёных Вашингтонского университете (UW) было заявлено о том, что существует и второй, скрытый код, который самым прямым образом определяет порядок считывания последовательности основных генетических инструкций, содержащихся в ДНК. Результаты исследований, которые подтвердили подлинность этой гипотезы, были опубликованы в журнале «Science».
Таким образом, учёные пришли к выводу, что информация в генетическом коде записана двумя разными способами, то есть на двух «языках». Первый отвечает за структуру и количество вырабатываемых клетками белков, а второй определяет последовательность выполнения инструкций, которые управляют считыванием генов. При этом, как отмечали в своей публикации учёные, конструкции второго языка записаны на конструкциях первого. Таким образом, находясь на самом «заметном» месте, второй «язык» так долго был скрыт от внимания учёных.
Доктор Джон Стаматояннопулос, профессор медицины и геномики Вашингтонского университета, говорил: «Более 40 лет мы считали, что все изменения в генетическом коде молекул ДНК воздействуют лишь на функции производства белков в клетках. Теперь же мы знаем, что, читая генетическую информацию, мы пропускали почти её половину, что, в свою очередь, искажало общую картину наших знаний. Вооружившись новыми знаниями о наличии дополнительной информации, скоро мы сможем полностью читать всё, что записано в ДНК, в самом мощном на сегодняшний день устройстве хранения информации, созданном самой природой».
Также учёные обнаружили, что основу конструкций второго «языка», с помощью которого в ДНК записан второй слой информации, составляют дуоны — некоторые виды кодонов (до 15% от их общего количества), которые могут иметь два значения, одно из которых связано с описанием структуры белков, другое — с принципами управления генами.
Польза открытия
Знание того, что молекулы ДНК содержат одновременно несколько видов информации, весьма полезно для науки. С его помощью учёные могут более полно изучать те изменения в белках, которые происходят в результате мутагенных процессов, затрагивающих структуру ДНК. Это поможет определить, какие болезни являются причинами, а какие — следствием подобных изменений, чтобы затем можно было выработать новые методы лечения заболеваний, основанные на изменениях той части информации ДНК, которая управляет только функциями генов.
Кроме того, благодаря этому открытию удалось подтвердить, что генетические мутации могут отразиться не только на структуре основного кода генетической последовательности, но способны влиять и на механическую структуру ДНК. Это, в свою очередь, влечёт за собой изменение в последовательности считывания инструкций по производству белков, изменению типа и количества последних.
