ханизм неизвестной пока природы, благодаря которому возникают мутации, причем только в У-генах. Окружающие К-гены участки ДНК не меняются, а в У-генах

происходят случайные замены нукпп Тяжелая цель леотидов. Это еще многократно по4 вышает разнообразие иммуногло—, булинов.

— —\ Вот какой хитроумный механизм придуман природой, чтобы

снабдить нас с вами лимфоцитами

Рис. 20. Так устроена мо- и вырабатываемыми ими антителекула иммуноглобулина лами на любой мыслимый случаи,

(схема). Загадка, мучившая несколько поколений медиков и биологов, была решена быстро и однозначно, как только за нее взялись специалисты, вооруженные умением манипулировать молекулой ДНКИ надо сказать, открывшаяся картина просто ошеломила даже привыкших к сенсациям последних десяти лет молекулярных биологов. Шутка ли сказать, оказывается в организме каждого человека, каждого млекопитающего (и еще шире — позвоночного), происходит перетасовка генов, образуются миллионы новых, причем это еще сопровождается интенсивным мутационным процессом.

А мы-то думали, мы были абсолютно убеждены, что весь план строения организма готов раз и навсегда, как только образовалась зигота. Мы думали, что этот план совершенно одинаков во всех клетках, просто одни клетки «читают» одну часть плана, другие — другую. Конечно, возможность мутаций в генах при развитии организма никем никогда не отрицалась, но к этому относились как к случайным помехам, ошибкам в ходе планомерного развития организма. А оказывается, каждый организм в ходе развития вырабатывает свой, совершенно уникальный набор генов (во всяком случае, генов иммуноглобулинов, а может быть, и еще каких-нибудь). Собственно, это и есть один из тех факторов, которые определяют индивидуальность, свое «я» каждого позвоночного.

Нет сомнений, что, как и все прежние выдающиеся завоевания науки, открытие перестроек генов в ходе индивидуального развития окажет серьезное влияние на наши представления об окружающем мире и о самих себе.

У молекулярной иммунологии, науки, переживающей буквально взрыв из-за вторжения в нее методов генной инженерии, еще масса нерешенных проблем. Как организм умудряется не вырабатывать антитела к собственным белкам? По-видимому, есть какой-то способ отбраковки лимфоцитов. Гигантская проблема — поиск связи между иммунитетом и раком. Ведь эта болезнь так же, как и иммунитет, — удел позвоночных. Несомненно, между этими двумя важнейшими для жизни всех людей явлениями существует очень тесная связь. Эту связь изучают на всех уровнях, включая уровень ДНК. Нет сомнений, что открытие возможности перегруппировки генов в ходе развития проливает совершенно новый свет и на проблему рака. Но все это — вопросы, на которые еще предстоит искать ответы.

ГЛАВА 8

КОЛЬЦЕВЫЕ ДНК ДНКовые кольца

Внимательный читатель, должно быть, заметил, что для понимания биологических функций ДНК используются лишь те обстоятельства, что молекула эта состоит из двух комплементарных нитей и генетическая информация заключена в последовательности нуклеотидов четырех сортов (А, Т, Г и Ц). Собственно, на этих двух фактах зиждется все стройное здание современной молекулярной биологии, включая генную инженерию. Даже то, что ДНК— это спираль, а не просто веревочная лестница, биологам знать как бы ни к чему, а уж генным инженерам — и подавно, не говоря уже о более тонких деталях физического строения молекулы. Во всяком случае есть люди, которые действительно так считают. Эти люди говорят, что хватит, мол, копаться в этой ДНК, пора всем дружно взяться только за сугубо практические задачи, для решения которых вполне достаточно того, что известно.

Конечно, позиция эта недальновидна. То, о чем было рассказано в предыдущих главах, убеждает, что при изучении ДИК даже самые, казалось бы, пустяковые факты могут привести к открытиям первостепенной важности.

Вспомните историю открытия рестриктаз. Ведь все началось с выяснения очень тонкой химической особенности молекул ДНК — метилирования ничтожной доли нуклеотидов. Эта особенность не была связана с основными функциями ДНК, а лишь позволяла клетке отличать «свои» молекулы от «чужих». А где была бы сейчас молекулярная биология и генная инженерия, не будь открыты рестрик-тазы?!

Так кто же осмелится утверждать, что тщательное изучение структуры ДНК не откроет нам совсем новые характеристики молекулы, важные для ее работы, не выявит новые ферменты, о которых никто раньше и не подозревал? Где гарантия, что в результате мы не сможем еще активнее вмешиваться в генегические процессы? Исследования последних лет вселяют уверенность, что именно изучение биологической роли тонких особенностей структуры ДИК обещает наиболее интересные и неожиданные находки. Пожалуй, самое яркое свидетельство тому — открытие кольцевой формы ДНК, явления сверхспирализации и ферментов то-поизомераз. При выяснении возникших здесь вопросов молекулярным биологам в наибольшей степени потребовалась помощь со стороны физики и математики.

Когда научились выделять из клеток молекулы ДНК, а биохимики овладели этим искусством очень давно, то вскоре убедились, что эти молекулы ведут себя так, как и положено себя вести обычным линейным полимерам. На каждую молекулу приходилось по два конца. И ни у кого не вызывало сомнений, что все молекулы ДНК — линейные цепи. Правда, генетикам часто было неясно, какие же гены считать концевыми. Поэтому им приходилось рисовать свои генетические карты в виде кольцевых диаграмм. Но можно себе представить, как посмеялись бы над тем чудаком, который стал бы утверждать, что эти условные кольцевые карты отражают истинное кольцевое строение самих молекул! Для того чтобы всерьез утверждать такое, надо было доказать, что молекулы ДНК и впрямь бывают кольцевыми. Как это часто случается, ответ пришел оттуда, откуда его и не ждали.

Электронные микроскописты изучали маленькие ДНК онкогенных вирусов, т. е. вирусов, вызывающих рак. Генетические сведения об этих ДНК практически вообще отсутствовали, но работать с ними было удобно — маленькие ДНК не рвутся на куски, как это происходит с длинными молекулами, выделять которые в неповрежденном виде — очень трудная задача. Так вот, к величайшему удивлению своему, микроскописты обнаружили, что некоторые вирусные ДНК замкнуты в кольцо. Это наблюдение было сделано в начале 60-х годов. Стало ясно, что кольцевые генетические карты — штука вовсе не случайная.

Однако особого интереса открытие не вызвало. Мало ли какой бывает ДНК в вирусах! Иногда она находится там в виде одной из двух комплементарных нитей. Порой эта нить замкнута в кольцо. Но заведомо известно и много случаев, когда внутри вирусной частицы ДНК линейна.

Все же поиск кольцевых ДНК продолжался. И постепенно выяснилось, что даже в тех случаях,

когда ДНК в вирусной частице линейна, она, как правило, замыкается в кольцо после проникновения вируса в клетку. Оказалось, что перед началом репликации такая линейная молекула переходит в форму (ее называют реп-ли катив ной), в которой обе комплементарные цепи ДНК образуют замкнутые кольца (рис. 21). Кольцевыми оказались ДНК бактерий, в частности, кишечной палочки. Плазмиды, этн незаменимые в генной инженерии переносчики генов, всегда кольцевые. Короче, трудно назвать случаи, когда ДНК работает в клетке, не находясь в кольцевом состоянии.

Зачем клетке замыкать молекулы ДНК в кольца? Что это дает? К каким изменениям свойств молекул приводит? Чтобы ответить на эти вопросы, надо было подробно изучить эту новую форму ДНК.

Сверхспирализация и топоизомеразы

Для нас сейчас важнее всего то, что в молекуле ДНК комплементарные цепи обвивают друг друга подобно двум лианам, и когда каждую из цепей замыкают, то два кольца оказываются зацепленными так, что их невозможно развести. Простейшее зацепление двух колец известно всем — это символ бракосочетания (рис. 22). Только две комплементарные цепи в ДНК сцеплены друг с другом гораздо сильнее.

Количественно степень зацепленности двух колец характеризуется величиной, называемой порядком зацепления и обозначаемой Lk (от английского слова linking). Определить эту величину для любого зацепления очень легко.

Нужно представить себе, что на одно кольцо натянута мыльная пленка, и подсчитать, сколько раз второе кольцо протыкает эту пленку. Тогда легко убедиться, что для символа бракосочетания Lk « 1, а для зацепления, изображенного на рис. 21, Lk 9.

Рис 22. Прос- Величина Lk замечательна тем, что ее тейшее зацепле- значение для заданной пары колец не мо-ние — символ Жет измениться, как бы мы ни гнули эти бракосочетания, кольца, лишь бы не рвали их. Поэтому

математики говорят, что Lk есть топологический инвариант системы, состоящей из пары колец. А без помощи математиков молекулярным биологам никогда не удалось бы разобраться в свойствах кольцевых ДНК.

Итак, если мы превратили ДНК в кольцевую замкнутую молекулу, то созданный в ней порядок зацепления двух нитей не может измениться, что бы мы ни делали с молекулой, пока сахаро-фосфатные цепи, образующие «хребет» каждой из комплементарных цепочек, остаются целыми и невредимыми. Благодаря этому обстоятельству замкнутые кольцевые (зк) ДНК обладают совершенно особыми свойствами, резко отличающими их от линейных молекул. Самое главное заключается в том, что в зкДНК может быть запасена впрок энергия в виде так называемых сверхвитков.

Чтобы пояснить только что сказанное, представим линейную ДНК в каких-то определенных внешних условиях. В такой ДНК на один виток двойной спирали приходится вполне определенное число пар оснований. Это величина у0. В двойной спирали Уотсона—Крика у0 — 10, но она может немного меняться (всего лишь на десятые доли, но сейчас для нас это важно) при изменении внешних условий. Допустим теперь, что из линейной молекулы сделали кольцевую, прибегнув к минимальному насилию. Проще всего представить себе, что мы превратили молекулу в окружность и «заклеили» концы каждой из нитей. Чему будет равно Lk? Ясно, что Lk = N/yQ, где N — число пар оснований в молекуле.

Теперь изменим внешние условия. Молекула ДНК приобретает друго