Полная последовательность нуклеотидов, кодирующая определенный белок, называется «ген». Совокупная ДНК организма называется «геном», в геноме содержатся десятки тысяч генов организма. Секвенировать геном означает определить уникальную последовательность миллиардов нуклеотидов, слагающих геном организма. И эта цепочка нуклеотидов настолько гигантская (у человека около 20 000 генов), что ее приходится разбивать на несколько томов, называемых хромосомами.

Отсюда рождается проблема размещения. Библиотека ДНК располагается в центре клетки, в ядре. А белки находятся повсюду в клетке и синтезируются тоже повсюду в клетке (кстати, подумайте о белках в аксонных окончаниях нейронов спинного мозга синего кита, ведь им до ядра нейрона сотни световых лет). И как же доставить информацию из ядра к месту сборки белка? Для этого есть посредник, который довершает картину. Это РНК, близкая к ДНК молекула, которая теми же нуклеотидными буквами копирует нуклеотидную последовательность гена. Любая хромосома содержит невероятно длинную цепочку ДНК, кодирующую ген за геном. А в цепочке РНК, напротив, закодирован один-единственный ген. Иными словами, РНК имеет более практичную длину. И эта РНК может отправляться к месту назначения в клетке, где она распорядится, в каком порядке прицеплять друг к дружке аминокислоты (а аминокислоты в изобилии имеются повсюду в клетке, вдруг понадобятся для какого-нибудь белкового проекта). РНК можно представлять себе как ксерокопии одной страницы гигантской двадцатитысячестраничной энциклопедии ДНК. (В свою очередь, на основе единственной страницы РНК-инструкции можно построить множество копий белка. Это, безусловно, облегчает задачу синтеза одного и того же белка в любом из аксонных окончаний.)

В этой схеме заключена т. н. центральная догма молекулярной биологии, которую в начале 1960-х гг. сформулировал Фрэнсис Крик, второй участник знаменитой пары Уотсон и Крик, открывшей структуру двойной спирали ДНК (к ним должна быть причислена и Розалинд Франклин, но это уже другая история). Центральная догма Крика утверждает, что нуклеотидная последовательность ДНК, составляющая ген, предопределяет уникальную последовательность РНК, а она, в свою очередь, однозначно определяет последовательность аминокислот, а та, в свою очередь, жестко задает форму/формы белка, а от нее, в свою очередь, зависит функция этого белка[553]. В этой концепции негласным образом подразумевается еще одно важнейшее утверждение: каждый ген кодирует один белок.

Чтобы не создавать лишних сложностей, я дальше не буду упоминать РНК, потому что нам сейчас интересны гены, стартовая точка синтеза. Как гены соотносятся с белками и, соответственно, с их функциями?

Гены наследуются от родителей (по половине генов от каждого, хотя это и не совсем правда, как сказано в основном тексте). Предположим, что в яйцеклетку или сперматозоид отправилась ДНК, в которую при копировании вкралась ошибка, и один нуклеотид поменялся. С учетом того что копируются миллиарды нуклеотидов, подобное время от времени происходит. Если такую ошибку не исправить, то ген потомка будет отличаться от исходного родительского на один нуклеотид. Это и есть мутация.

В классической генетике различают три типа мутаций. Первый тип – это точечные мутации, при которых один нуклеотид копируется неверно. Изменит ли эта ошибка аминокислотную последовательность белка? Зависит от обстоятельств. Вернемся на несколько абзацев назад, к избыточности кода ДНК. Пусть есть кодон аланина ГЦТ в каком-то гене. Произошла мутация в этом кодоне, и он стал теперь ГЦА. Ничего страшного, этот кодон тоже обозначает аланин. Эта мутация без последствий, нейтральная. А если замена другая, например ГАТ? Новый триплет кодирует совсем другую аминокислоту – аспарагин. Ой-ой-ой!

В действительности это, может быть, и небольшая беда, потому что новая аминокислота выглядит примерно как прежняя. Давайте попробуем представить аминокислотную цепочку, закодированную нуклеотидной последовательностью «затем/я/делаю/это».

Произошла мутация, одна аминокислота сменилась на другую, но без особых последствий: «затем/я/делаю/эта». Большинство поймет, о чем речь; подумают, вероятно, что говорящий прибыл откуда-то издалека. А в переводе на белковый язык получится, что белок примет чуточку другую форму и будет выполнять свою функцию чуточку по-другому (может, немножко медленнее, а может, и быстрее). Но это не конец света.

А если из-за мутации вставилась новая аминокислота и новый белок оказался совершенно другой формы? Последствия могут быть ужасны и даже смертельны.

Теперь вместо «затем/я/делаю/это» имеем «зачем/я/делаю/это». Уже проблема.

Следующий тип классических мутаций – делеции. Сценарий прежний – при копировании ДНК получается ошибка. Но вместо подстановки неправильного нуклеотида теперь он просто пропущен. Так, если в нашем примере «затем/я/делаю/это» пропущен пятый нуклеотид, то получается «затея/д/елаюэ/то». При сдвиге рамки считывания на один нуклеотид получается полная ерунда или даже совсем другое сообщение («я на третье съем торт» превращается в «я на треть съем торт»).

При делециях могут отбрасываться сразу несколько нуклеотидов. В крайних случаях выбрасывается весь ген целиком или цепочка генов на хромосоме. И это определенно нехорошо.

И наконец, имеются мутации вставки, или инсерции. Во время копирования ДНК для отправки в сперматозоиды или яйцеклетки нуклеотиды могут копироваться дважды, дуплицироваться. Тогда вместо «затем/я/делаю/это» получится: «затте/м/ядела/юэт». Полнейшая чепуха. А может, как и в прошлом примере, получиться совсем другое сообщение: из «учитель велел не опаздывать», добавив букву, получим «учитель велел мне опаздывать». В некоторых случаях вставляется больше одного нуклеотида. В самых крайних случаях получается дупликация целого гена.

Так что, говоря о мутациях, обычно имеют в виду точечные мутации, делеции или инсерции[554]. Делеции и инсерции чаще всего приводят к серьезным последствиям, обычно они вредны для организма, но иногда этот путь ведет к созданию нового интересного белка.