Кошки, гены и эволюция

Пролог

Чистокровный сиамский кот Ф. Д. Ч. Уиллард внес фундаментальный вклад в развитие низкотемпературной физики7, 8. Он стал соавтором своего хозяина профессора Джека Х. Хетерингтона по просьбе последнего и этим своим благородным поступком избавил профессора от пустых хлопот.

Дело было так. В 1975 году профессор написал статью, следуя принятому уже тогда стилю, в первом лице и в активном залоге. Не “было показано”, а “мы показали”. Этот стиль широко распространен в англоязычной научной литературе, но с трудом пробивается в русскоязычную. Проблема нашего профессора была в том, что он писал “мы показали”, будучи единственным автором этой статьи. Редакция журнала попросила заменить “мы” на “я”.

Это требование породило две другие проблемы. Во-первых, “я показал” звучит несколько нахально даже по-английски. Во-вторых, эта замена требовала перепечатки статьи. Современному читателю это не кажется проблемой. “Мы” заменяется на “я” по всему тексту в пару кликов мышью. В английском тексте. В русском пришлось бы еще менять рода глаголов. Но в 1975 году статьи печатали не на принтерах, а на печатных машинках. В рамках той технологии замену можно было сделать двумя способами. Либо полностью перепечатать статью. Либо найти все “мы”, замазать их белой краской, вставить каждую страницу в печатную машинку, вывести замазанные места рычагом каретки и клавишей пробела под удар рычага, увенчанного буквой “я”, и нанести этот удар. Первый способ требует много времени и сил, которых жалко. Второй – чуть меньше времени, но уйму терпения и аккуратности.

Проф. Хетерингтон нашел альтернативное решение. Он впечатал имя своего кота в титульную страницу статьи, и проблема “мы” была решена. Так сиамский кот Ф. Д. Ч. Уиллард (Felis Domesticus Chester Willard) стал корифеем низкотемпературной физики.

Еще одна сиамская кошка Ася (полное имя – Аспид) была увековечена на памятнике профессору Юрию Кнорозову, выдающемуся лингвисту, расшифровавшему письмена майя. И не зря. Говорят, что, наблюдая за ее поведением, он создал для себя общую теорию коммуникаций, которую затем развивал в своих работах. Юрий Кнорозов пытался включить ее в соавторы своих публикаций, но, будучи человеком прямым и резким, он даже не пытался ее замаскировать под К. Д. Аспид. Естественно, бдительные советские редакторы не допустили кошку в высокую науку9.

Как раскрашивается кот

Тело у сиамских котов белое, а уши, хвост, лапы и то, что вокруг носа, – темные. Такое ощущение, что краски хватило только на самые выдающиеся части тела, а все остальное осталось неокрашенным. Ощущение, близкое к истине. Но давайте разберемся, как раскрасить кота.

У кошек, как у всех остальных млекопитающих, включая и нас с вами, краской служит пигмент меланин. Он синтезируется в пигментных клетках (меланоцитах) в специальных клеточных структурах (меланосомах) и там же накапливается. После того, как меланосома заполняется меланином, она транспортируется в волос.

У млекопитающих есть две формы меланина. Эумеланин отвечает за окраски от коричневой до черной, а феомеланин – от желтой до красной. Меланин окрашивает шерсть, радужку глаз, родинки и обеспечивает нам и лысым котам интересный загар при облучении ультрафиолетом. Меланин синтезируется из аминокислоты тирозина, которую мы и наши коты получаем с пищей. Особенно много его в говядине, курятине, индюшатине, а также в авокадо и миндале, но наши коты любят первые три блюда вовсе не из-за тирозина.

Если на выставке вы подойдете к заводчику и спросите, какого окраса кошечка в палатке, в ответ вы, скорее всего, услышите что-то вроде: “черная тикированная”, “голубая макрель”, “шоколадная солидная” и так далее. Первое слово в описании окраса указывает на основной цвет, а второе обозначает рисунок полос на теле или его отсутствие (про рисунок мы поговорим в главе 3). Если у кошки есть белые пятна, то в зависимости от их размера к названию окраса добавляется “с белым” (то есть белые пятна небольшие, например, белые носочки и белая манишка), “биколор” (если белые пятна покрывают примерно 50% площади тела кошки) или “ван” (если кошка полностью белая, за исключением ушей и хвоста).

На первый взгляд описание кошачьего окраса выглядит запутанно и сложно, но не беспокойтесь: после первых трех глав этой книги эти термины перестанут быть для вас тайной. И в следующий раз вы сможете с легкостью заметить: “Какой насыщенный прокрас у этого мрамора!” или поинтересоваться: “У котенка пальцы выбеленные или высветленные?” А теперь давайте вернемся к сиамским котам.

Все дело в тирозиназе

Ключевую роль в производстве меланина из тирозина играет белок – фермент тирозиназа. Ферменты, как вы помните из школьных курсов, – это биологические катализаторы. Они ускоряют реакции, например, превращение тирозина в меланин. Замечали, как срез яблока темнеет на воздухе? Это сработала тирозиназа.

У нормальных котов тирозиназа работает нормально и все их меланоциты производят нужное количество меланина. У сиамских котов тирозиназа не нормальная, а капризная. Она, видите ли, согласна работать нормально только при комфортной для нее пониженной температуре. При нормальной температуре кошачьего тела она работает плохо, вяло или не работает вовсе.

Корпус сиамских котов хорошо прогревается, поэтому он окрашивается в снежно-белый цвет, а уши, хвост, лапы и то, что вокруг носа, – темные (вкл., илл. 11). Именно в этих частях тела температура слегка снижена. Сиамские котята рождаются настолько белыми, что аж розовыми, и приобретают типичную сиамскую расцветку по мере взросления. Теоретически процессом окрашивания можно управлять.

Все учебники говорят, что в 1930-е годы на кроликах гималайской породы, которые окрашены точно так же, как сиамские коты, проводили эксперименты по их раскрашиванию[4]. Вы уже догадались как? Да, все верно, им на холку ставили ледяные компрессы, и там вырастала черная шерсть. Сейчас такой эксперимент не должна разрешить ни одна комиссия по биоэтике. И мы вам категорически не рекомендуем проводить такие дурацкие эксперименты на ваших котах. Как пишут в руководствах, “не пытайтесь повторить это дома”!

Почему же тирозиназа сиамских котов такая капризная? Она состоит из 539 аминокислот[5]. И вы не поверите, но главная проблема или, если хотите, главная прелесть сиамского кота происходит оттого, что в активном центре его тирозиназы, который, собственно, и отвечает за ее каталитическую функцию, одна из аминокислот заменена. Должен быть глицин, а там сидит аргинин10. Одна замена и такой эффект! Да, но этот измененный фермент находится в миллиардах меланосом сотен миллионов меланоцитов.

Почему же такой важный белок построен с ошибкой? Все дело в том, что наши белки строятся по “чертежам” – матричным рибонуклеиновым кислотам (мРНК). Если сломаны все копии тирозиназы, то проблема явно кроется в ее чертеже. Разберемся же, как эти чертежи устроены и откуда в них могут возникать ошибки.

РНК для тирозиназы

РНК – это одновременно и скучная, и фантастически сложная и интересная молекула. Скучная она потому, что состоит всего из четырех нуклеотидов: а́денина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц) и у́рацила (У). Последовательность нуклеотидов в ней определяет, каким будет белок и как он будет работать. мРНК поступает из ядра клетки в цитоплазму и там немедленно присоединяется к молекулярному станку – рибосоме. И тут происходит самое интересное.

Рибосома состоит из двух субъединиц, построенных из РНК и белков. Эти субъединицы формируют кольцо, через которое продергивается мРНК. Мимо рибосомы проплывают другие молекулы РНК, которые называются транспортными (тРНК), и не зря: они транспортируют отдельные аминокислоты – каждая свою – к рибосоме.

Устроены тРНК довольно забавно – в форме трехлепесткового клеверного листа. К черешку листа прикрепляется аминокислота. Сам черешок образуется из-за склеивания начала и конца молекулы тРНК. Почему они склеиваются? Потому что аденин обладает химическим сродством к урацилу, а гуанин – к цитозину. Как только эти пары оказываются рядом, они непременно слипаются довольно слабыми и не очень стабильными водородными связями. Такие пары называют комплементарными. То есть если в начале молекулы находится последовательность АУГУЦАЦГ, а в конце УАЦАГУГЦ, то они обязательно соединятся друг с другом и образуют черешок. Такие же, но более короткие комплементарные последовательности образуют основания лепестков транспортных РНК.

Но самый важный элемент тРНК – это вершина центрального лепестка. На нем выставлены наружу и ни с чем не связаны три нуклеотида. Назовем их антикодоном. Ими-то и прицепляется тРНК к кодону – трем торчащим комплементарным нуклеотидам вставленной в рибосому матричной РНК: А к У, Г к Ц. Когда антикодоны двух тРНК присоединяются к следующим друг за другом кодонам мРНК, то две аминокислоты, прицепленные к черешкам этих тРНК, оказываются рядом друг с другом. Как только это происходит, аминокислота с первой тРНК (по ходу движения мРНК через рибосому) приклеивается к аминокислоте на второй, отваливаясь от своей тРНК. Затем мРНК продвигается на один кодон, и первая тРНК, в свою очередь, отваливается от рибосомы, освободив место для следующей транспортной РНК. Так одна за другой к мРНК приходят тРНК, и цепь из аминокислот растет (полимеризуется).

Нуклеотидная последовательность мРНК преобразуется, переводится (транслируется!) в последовательность из аминокислот (всего существует 20 канонических, то есть используемых при построении подавляющего большинства белков, аминокислот, хотя сейчас только природных аминокислот известно несколько сотен, а синтетических и того больше). Процесс перевода генетической информации с языка РНК на язык белков называется трансляцией.

Вся прелесть трансляции в том, что есть очень строгое соответствие между тройкой нуклеотидов на лепестке транспортной РНК (антикодоном) и аминокислотой, которую эта молекула носит на себе. Например, УУУ несет лизин, а ЦЦЦ несет глицин. Это соответствие однозначное и не допускает двусмысленных толкований. УУУ несет только лизин, один лизин и ничего кроме лизина. Но фокус в том, что лизин несет еще и ЦУУ, а глицин кроме ЦЦЦ могут приносить еще АЦЦ, УЦЦ и ГЦЦ. То есть одни и те же аминокислоты могут кодироваться разными тройками нуклеотидов.

Существует несколько десятков опубликованных гипотез о том, как возник код и почему он именно такой. Еще есть несколько сотен неопубликованных гипотез на этот счет. Так что, если у вас уже была своя гипотеза или она родилась по прочтении этой главы, пожалуйста, делайте с ней что хотите, только нам не посылайте. Потому что у нас есть своя гипотеза, которая нам очень дорога. А в чем она, мы вам не скажем и будем надеяться на взаимность.

Вернемся к нашему коту. Итак, он имеет сиамскую окраску, потому что у него в меланоцитах содержится дефектная тирозиназа, которая нормально катализирует синтез меланина только при пониженной температуре. Дефектная она потому, что у нее в активном центре вместо глицина находится аргинин. А почему он там находится?

Потому что его туда всегда в процессе трансляции ставят аргининовые транспортные РНК, присоединившись аргининовым антикодоном АГГ к аргининовому кодону УЦЦ тирозиназной матричной РНК.

То есть все дело в том, что где-то в молекуле тирозиназной матричной РНК у сиамского кота изменен кодон. Он должен был быть глициновым, а оказался аргининовым. Мы даже знаем где. В 422-й позиции от начала молекулы стоит урацил, а должен был быть цитозин. Как он там оказался?

ДНК для РНК тирозиназы

Из школьного курса мы помним, что РНК считывается с ДНК. Ох уж эти метафоры!!! Считывается!!! Когда мы слышим эту фразу на экзамене, мы ласково спрашиваем: “Как это – считывается?” И гораздо чаще, чем нам хотелось бы, слышим в ответ: “Ну как, РНК подходит к ДНК и считывается!” Забудьте это слово. Вообще аккуратнее с метафорами. Школьники и студенты склонны воспринимать их буквально.

Рис. 1–1. Транскрипция (синтез матричной РНК) и трансляция (синтез белка).

Конечно же, ничего там не считывается. Предшественник матричной РНК (пре-мРНК) синтезируется на двухцепочечной ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоте) на основе того же принципа комплементарности, о котором мы уже говорили, только вместо у́рацила (У) в ДНК содержится тимин (Т): Т к А, А к Т, Г к Ц и Ц к Г.

Свободные нуклеотиды присоединяются к своим партнерам на ДНК с помощью специального фермента – РНК-полимеразы, – который также выполняет и их полимеризацию – продольную сшивку. Процесс перевода генетической информации с языка ДНК на язык РНК называется транскрипцией. Чтобы вы не запутались в транскрипциях-трансляциях, мы нарисовали общий рисунок 1–1, где показаны эти два процесса вместе.

Интерлюдия о геноме

Велик и знаменателен оказался для котов год по Рождеству Христову 2007-й, от начала же геномной революции седьмой. Был он обилен открытиями, главное же из которых – расшифровка кошачьего генома11. И стала в тот год кошка седьмым по счету видом млекопитающих, после человека, шимпанзе, мыши, крысы, собаки и коровы, который смог похвастаться “прочитанным”, или секвенированным, геномом.

Геном организма – это совокупность его ДНК, его генетический багаж. Этот багаж уложен в отдельные чемоданы – хромосомы, которые представляют собой сложные комплексы из ДНК и упаковочных белков. Хромосомы отличаются друг от друга по размерам и расположению плотно и рыхло упакованных районов. Активные гены, как правило, находятся в рыхло упакованных районах. Это облегчает доступ к ним определенных ферментов, о которых мы поговорим позже.

Донором ДНК для полной расшифровки генома стала четырехлетняя абиссинская кошка по кличке Корица (англ. Cinnamon). Корица вместе с несколькими другими кошками жила в колледже ветеринарной медицины при Университете Миссури. Она была застенчивой и робкой и предпочитала тихо сидеть в сторонке, пока другие кошки веселились и играли. Судьба выдала ей редкий шанс, и теперь имя Корица навсегда вписано в историю изучения генома домашней кошки.