Каждый из нас состоит из триллионов клеток – клеток мышц, нервов, скелета и сотен других видов клеток, которые действуют совместно и связаны и организованы единственно правильным образом. А плоский червь Caenorhabitis elegans состоит всего из 956 клеток. Если это вас не удивляет, подумайте вот о чем: несмотря на разительное различие в количестве клеток тела и сложности устройства органов и частей тела, люди и черви имеют одинаковое количество генов – около 20 тысяч. И не только черви. Мухи тоже имеют столько же генов, сколько и мы. Но животные далеко не чемпионы по сравнению с некоторыми растениями, такими как рис, соя, кукуруза или маниока, в геноме которых содержится почти вдвое больше генов. Таким образом, эволюция сложных новых органов и тканей, а также сложного поведения в мире животных не связана с увеличением числа генов.

Еще более странным оказалось строение геномов. Вспомните мантру: гены – это последовательности оснований, которые кодируют последовательности аминокислот, а из этих аминокислот складываются белки. По сути, гены представляют собой молекулярную матрицу для синтеза белков. Когда публикуется последовательность какого-то гена, авторов просят открыть доступ к данным для всех желающих, поместив их в государственную компьютерную базу данных. За десятилетия работы с генами в базах данных накопились последовательности тысяч генов из тысяч видов организмов. Теперь вы можете сесть за компьютер, набрать последовательность и увидеть, какому гену из какого организма она соответствует. И если сравнить какой-то геном с генами из баз данных и найти совпадения, можно понять, какие гены в этом геноме содержатся. При анализе всех геномов, прочитанных за два последних десятилетия, выяснилось одно обстоятельство, которое нельзя не заметить: в геномах мало генов. Гены – это та часть генома, в которой закодированы белки, но большая часть генома, по-видимому, не связана с синтезом белков. Последовательности генов, кодирующие белки, составляют менее 2 % ДНК человеческого генома. Таким образом, оставшиеся 98 % ДНК не содержат генов.

Гены – лишь островки в море ДНК. И за редкими исключениями такая картина наблюдается у всех видов от червя до мыши. Но если основная часть генома не содержит генов, кодирующих белки, зачем она нужна?

После участия во французском движении Сопротивления во время Второй мировой войны французские биологи Франсуа Жакоб (1920-2013) и Жак Моно (1910-1976) начали изучать бактерий, чтобы понять, как они расщепляют сахара. Вряд ли можно найти другую тематику, которая казалась бы более отвлеченной и в меньшей степени связанной с физиологией человека.

Жакоб и Моно показали, что распространенная бактерия Escherichia coli может расщеплять два вида сахаров – глюкозу и лактозу. Бактериальный геном достаточно прост. Длинные последовательности ДНК содержат гены, в которых записана необходимая информация для синтеза белков, расщепляющих каждый из двух сахаров. Если в среде много глюкозы и мало лактозы, геном производит белки, расщепляющие глюкозу. В обратной ситуации синтезируется белок, расщепляющий лактозу. Хотя эта картина кажется простой и очевидной, тем не менее она стала основанием для революции в биологии.

Ученые обнаружили в бактериальном геноме две составляющие. Во-первых, есть гены, содержащие информацию о структуре двух белков, расщепляющих два вида сахаров. Это последовательности букв А, Т, G и С, которые транслируются в последовательности аминокислот в молекуле каждого белка. На концах этих последовательностей есть другие короткие последовательности букв А, Т, G и С, которые ничего не кодируют. Когда с этими фрагментами ДНК связывается другая молекула, происходит включение или выключение гена. Это второй компонент генома. Эти короткие фрагменты ДНК можно назвать молекулярными переключателями, которые контролируют активацию гена и запуск синтеза белка. В геноме бактерий гены и переключатели, контролирующие их активность, находятся в непосредственной близости друг от друга. В зависимости от того, какой сахар присутствует в среде, происходит молекулярная реакция, контролирующая включение того или иного гена и синтез соответствующего белка.

Жакоб и Моно выяснили, что бактериальный геном – это биологический механизм, обеспечивающий синтез белков в правильном месте и в правильное время. Работа этого механизма основана на двух компонентах – генах, кодирующих белки, и переключателях, определяющих место и время активации этих генов. За данную работу в 1965 году трое ученых были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине[11].

За годы, прошедшие после награждения Жакоба и Моно Нобелевской премией, было показано, что такая двухуровневая организация процесса синтеза белка является общим правилом для геномов всех организмов. Животные, растения и грибы тоже имеют гены, кодирующие белки, и молекулярные переключатели, включающие и выключающие эти гены.

Это открытие помогает понять, что же определяет различия между клетками, тканями и органами. Тело человека – высокоорганизованный комплекс, состоящий из четырех триллионов клеток двухсот разных видов, объединенных в ткани, такие как кости, головной мозг, печень и скелет. Хрящевые ткани состоят из клеток, производящих коллаген, протеогликаны и другие компоненты, которые в сочетании с водой и минеральными компонентами обеспечивают хрящам гибкость и прочность. В нервных клетках образуется совсем не такое сочетание белков, как в клетках хрящевой, мышечной или костной ткани.

При включении генетического переключателя, которое обычно происходит в результате присоединения белков, активируется соответствующий ген, и начинается синтез белка

Вот в чем заключается сложность: все клетки тела содержат одну и ту же последовательность ДНК оплодотворенной яйцеклетки, из которой они произошли. ДНК в нервных клетках идентична ДНК в клетках хрящевой, мышечной или костной ткани. Во всех клетках тела содержится один и тот же набор генов. Но если во всех клетках содержатся одинаковые гены, следовательно, различия между разными клетками определяются тем, какие гены в этих клетках активно производят белки. Переключатели такого типа, какие были открыты Жакобом и Моно, стали ключевым элементом в понимании того, как геном создает разные клетки, ткани и тела.

Если геном – это рецепт, тогда гены – ингредиенты, а переключатели – инструкции, определяющие тип ингредиентов и порядок их добавления. Поскольку только 2 % генома соответствует генам белков, оставшиеся 98 % несут в себе информацию относительно того, какие гены и в какой момент должны проявлять активность.

Но как на основе инструкций генома формируется тело? И как происходят изменения генома, приводящие к образованию новых видов в истории жизни? В период работы над проектом “Геном человека” никто еще не подозревал, что небольшое количество генов и их разреженность в геноме – это лишь вершина айсберга.