Биокомбинаторика, или
Блочный принцип организации жизни

Первое, что бросается в глаза на Земле, –
это разнообразие и буйство жизни.
В.А. Кордюм

Уилки Коллинз в романе «Женщина в белом» писал: «У природы столько дел в этом мире, ей приходится создавать такую массу разнообразнейших творений, что по временам она и сама не в силах разобраться во всех тех различных процессах, которыми она постоянно занимается». Попробуем прийти ей на помощь.
Биологам предыдущих поколений – зоологам, ботаникам, систематикам – пришлось потратить немало времени для того, чтобы хотя бы вчерне описать и классифицировать все добро, все буйство форм и красок, доставшееся им в качестве материала для исследований, прежде чем их последователям, углубившимся в недра клетки, познавшим законы наследования признаков и расшифровавшим код ДНК, удалось приблизиться к решению вопроса о происхождении этого поистине фантастического разнообразия. Лишь в последние десятилетия, обогащенные данными молекулярной биологии и генетики, мы начинаем постепенно понимать, каким образом работает тот поистине неисчерпаемый на комбинации калейдоскоп, который природа неустанно поворачивает перед нашим удивленным взором.
Житейская практика подсказывает, что в основе разнообразия нередко лежит комбинирование ограниченного числа относительно несложных элементов. Комбинация из шести-семи цифр соединит вас по телефону с нужным абонентом многомиллионного города. Цвет, марка и номер делают автомашину уникальной. Для того чтобы написать прекрасное стихотворение, необходимо всего лишь нужным образом скомбинировать 33 буквы алфавита и добавить немного знаков препинания.
На последнем примере можно наглядно проиллюстрировать укрупнение подверженных комбинированию блоков при переходе с одного уровня сложности на другой, более высокий. Буквы слагаются в слоги, слоги – в слова. Из слов составляются фразы. Количество букв в алфавите обычно невелико, все значимые слова можно поместить в словарь, количество же фраз, которые из этих слов можно составить, явно не поддается никакому учету. Рассказы, повести и романы, составленные из отдельных предложений, совершенно уникальны, как и люди.
Блочный принцип комбинирования легко проиллюстрировать и примерами из мира техники: конструктор, стандартные блоки в различных приборах и т.п.
Где и как проявляется способность к комбинированию в биологии? Начнем с азов.

Молекулы

Практически безграничное множество органических молекул определяется способностью атома углерода и немногих чрезвычайно распространенных в клетках элементов – водорода, азота, кислорода, серы и фосфора – образовывать различные комбинации. Однако лишь некоторые из таких комбинаций играют ключевую роль «строительных кирпичиков» в клетках. Всего лишь 20 аминокислот из полутора сотен известных образуют бесчисленное множество белков. Различные моносахара – глюкоза, галактоза, манноза, ксилоза – соединяясь вместе, образуют самые разнообразные полисахариды – крахмал, гликоген, целлюлозу, хитин, пектин и огромное количество мукополисахаридов. Всего четырех нуклеотидов оказывается достаточно, чтобы с помощью их сочетаний зашифровать в ДНК всю информацию об устройстве и функционировании любого организма.
В качестве простейших блоков для комбинирования могут выступать и некоторые простые радикалы. Например, взаимное расположение всего восьми метильных групп в молекуле, имеющей стереоизомеры, дает в общей сложности 256 различных пространственных конфигураций. Именно так строится разнообразие многих важных гормонов. Разве не удивительно, что мужские и женские половые гормоны позвоночных (тестостерон и прогестерон), вызывающие в организме столь разные реакции, отличаются друг от друга только одним радикалом! Не правда ли, похоже на два разных по значению слова, отличающихся друг от друга всего одной буквой?

Белки

Если уподобить аминокислоты буквам алфавита, белки будут похожи на очень длинные слова. Так же, как и в словах, в белках удается обнаружить различные части – нечто вроде приставок, корней и суффиксов. Биологи называют такие части белков доменами. Обычно они выполняют разные функции. Одни «заякоривают» белки в мембранах, другие реагируют с веществами-субстратами, третьи могут присоединяться к ДНК.
Комбинируя различные домены, можно получать белки с разными свойствами. Рассматривая третичную структуру, т.е. пространственную организацию белков, специалисты выделяют также отдельные, похожие по укладке первичной аминокислотной последовательности, части – так называемые -спирали и
-структуры. В середине 1970-х гг. была высказана гипотеза, что эти части могут быть по-разному ориентированы и соединены друг с другом. Таким образом, и тут мы сталкиваемся со случаем, когда из небольшого числа структурных элементов получается большое количество вариантов их соединения и взаимного расположения.
Разумеется, клетка не в состоянии тасовать любые части белков по своему усмотрению – ведь их структура записана в генах. Однако некое мозаичное строение многих белков явно проглядывает в их структуре, и мы еще вернемся в нашей беседе к этому феномену.
Поднимемся теперь на чуть более высокий уровень, на котором сами полипептидные цепи представляют собой отдельные строительные блоки. Многие ферменты состоят из нескольких таких цепей; они могут быть одинаковыми, разными и даже выполнять разные функции. Не правда ли, и здесь чувствуется простор для комбинирования?

Схема связей в молекуле (а), четвертичная структура (б) и схема -цепи молекулы (в) гемоглобина. Субъединицы изображены в виде полусфер, а гем – в виде дисков

Пример – фермент лактатдегидрогеназа, представляющий собой тетрамер. Каждая из четырех цепей может быть представлена двумя формами – А или В. В клетках встречаются все пять возможных форм: 4А, 3А1В, 2А2В, 1А3В и 4В. Другой пример – гемоглобин, также являющийся тетрамером и состоящий из двух цепей – и . В человеческом организме может синтезироваться сразу несколько форм каждой из них. Соответственно, существуют по меньшей мере пять различных гемоглобинов, хотя теоретически их должно быть гораздо больше.
Множество случаев подобного рода нетрудно набрать из любого учебник биохимии или молекулярной биологии.

Гены

Блочному строению белков соответствует мозаичное строение генов. Четверть века назад подобную мысль посчитали бы крамольной или безумной. Теперь же представление о прерывистом устройстве генов становится не только привычным, но и проникает уже на страницы современных школьных учебников.
В пределах многих, если не всех, генов эукариотических организмов участки, несущие информацию о белках или их частях (экзоны), чередуются с некодирующими участками (интронами). В процессе образования и созревания информационной РНК участки, соответствующие интронам, вырезаются. Вместе с интронами могут вырезаться и некоторые экзоны. Таким образом, с одной и той же последовательности ДНК могут быть получены разные комбинации экзонов. Так, закрывая в длинной и невнятной фразе отдельные слова, можно получить короткие и ясные выражения. Хороший пример – прерывистый ген, кодирующий одновременно гормон кальцитонин в паращитовидной железе и нейропептид в гипофизе.
В конце 1970-х гг. было выдвинуто предположение, что не несущие информацию о белках интроны играли важную роль в рекомбинации экзонов у древних про- и эукариот. Новый ген получался за счет разных комбинаций уже существовавших кусочков, закодированных в экзонах. Неудивительно поэтому, что многим экзонам соответствуют определенные домены в белках.

Реализация генетических особенностей организма

Появление новых белков описанным способом могло происходить во времена, когда точность механизмов рекомбинации оставляла желать лучшего. Однако и теперь, когда точность рекомбинации между гомологичными участками ДНК очень высока, порой случаются сбои. В результате «неудачной», нереципрокной, рекомбинации в одной хромосоме число генов увеличивается, а в другой, гомологичной, уменьшается. Рекомбинация может происходить также между неаллельными генами. Существует несколько вариантов таких процессов, и все они ведут к иным комбинациям генов и даже частей генов. Другими словами, перетасовка отдельных частей генов происходит и в наше время.
На заре же появления эукариот сложные новые белки возникали, вероятно, в результате соединения нескольких «отрезков» ДНК и закрепления получившейся комбинации. В эволюции генов важно не только и не столько появление новых генов, сколько удвоение и перераспределение уже имеющихся блоков.
Любопытно, что у современных высших многоклеточных этот процесс создания разнообразия из отдельных кусочков путем их комбинирования повторяется вновь и вновь при развитии иммунной системы во время онтогенеза. По приблизительным оценкам в организме каждого человека синтезируется до 1 млн различных форм белков–иммуноглобулинов. Именно это разнообразие и обеспечивает удивительную способность организма противостоять инфекциям, распознавая практически любые чужеродные белки и клетки. А возникает оно за счет способности генов, кодирующих иммуноглобулины, появляться в процессе созревания лимфоцитов из большого, но все же ограниченного числа небольших участков ДНК. В самом общем виде, не вдаваясь в тонкости, процесс образования генов иммуноглобулинов можно уподобить сдаче карт во время игры в «покер» или в «подкидного дурака». Количество карт в колоде ограниченно, но число их комбинаций, которые оказываются на руках при сдаче, очень велико.

Хромосомы

Гены эукариотических клеток соединены в крупные блоки – хромосомы. Каждый человек, как и почти любое другое существо, обязан своему появлению на свет уникальной комбинации хромосом своих родителей. Вспомните – в результате редукционного деления (мейоза) число хромосом в ядрах половых клеток уменьшается вдвое, формируется их гаплоидный набор. Какая именно хромосома из двух гомологичных попадет при мейозе в дочернее ядро, определяет случай.
«Растаскивание» различных пар гомологичных хромосом по двум дочерним ядрам происходит независимо в каждой паре. Следовательно, у человека с его 46 хромосомами в диплоидных клетках может сформироваться 223 различных гамет, что составляет около 8 млн! Встреча мужских и женских половых клеток происходит случайно. Таким образом, в результате оплодотворения может образоваться 64ґ1012 (64 триллиона) различных зигот. И это только от одной пары родителей!
На самом деле потенциальное разнообразие комбинаций еще больше, поскольку полученное число не учитывает обмена гомологичными участками хромосом в результате кроссинговера. Неудивительно поэтому, что при общей внешней схожести среди людей нет совершенно одинаковых (если не считать однояйцевых близнецов).
На уровне целого хромосомного набора также может происходить комбинирование отдельных блоков. Под таким углом можно рассматривать делеции (утраты части хромосом), инсерции (вставки) и инверсии.

Геномы

Существенную роль во многих упомянутых выше событиях принимают участие так называемые мобильные диспергированные гены (МДГ). Знамениты они тем, что не имеют определенного, фиксированного «адреса» в хромосомах и могут перемещаться по геному в широких пределах.
Впервые такие гены были обнаружены в начале 1950-х гг. американской исследовательницей Барбарой Мак-Клинток, изучавшей генетику кукурузы. В то время никто из биологов не поверил в существование подвижных генов, и заслуженное признание пришло к ней позже, когда ее открытие было подтверждено молекулярно-биологическими методами.
Сейчас становится очевидным, что МДГ имеются, по-видимому, у всех организмов, включая человека. В каждый момент времени геном клеток организма можно рассматривать как комбинацию положений разнообразных МДГ на хромосомах. Количество таких возможных комбинаций пока не оценено, но, вероятно, оно очень велико.
Вклад МДГ в функционирование и эволюцию организмов только начинает проясняться, но уже очевидно, что он может быть значительным. МДГ, например, влияют на работу соседних с ними генов и вызывают наследуемые изменения – по сути, мутагенез. Однако не это главное.
Р.Б. Хесин, автор замечательной монографии «Непостоянство генома», писал, что с его точки зрения «главная эволюционная роль перемещающихся элементов состоит в том, что они с помощью плазмид и вирусов переносят чужеродные гены между разными, подчас даже очень отдаленными организмами». Другими словами, геномы организмов не являются совершенно замкнутыми системами, раз и навсегда заданными множествами генов, в пределах которых возможны различные комбинации, перестановки и только. Пусть редко, пусть не всегда, однако в состав геномов может включаться чужеродная генетическая информация.
Обыденная практика говорит о том, что разные виды от этого не начинают походить друг на друга. Однако если мерить скорость течения реки времени геологическими, эволюционными мерками, возможность переноса генов от одних видов к другим может объяснить многие удивительные факты.
Вот несколько примеров. Гормон поджелудочной железы инсулин был обнаружен у бактерий. Основной компонент кутикулы насекомых – хитин – присутствует в клеточных стенках грибов. Полисахарид агар, выделяемый некоторыми водорослями, найден в бактериях рода Pseudomonas.

Образование некоторых стероидных гормонов

Список подобных примеров можно значительно расширить. Как их объяснить? Неужели все современные организмы, включая бактерий, произошли от одного предка – одноклеточного существа, обладавшего всем мыслимым набором различных соединений, встречающихся теперь в различных таксонах современного живого мира? Быть может, одни и те же макромолекулы были «изобретены» в процессе эволюции независимо друг от друга в различных таксонах? Маловероятно. Скорее всего, мы имеем дело со своеобразной формой биологического плагиата – заимствования удачных «текстов» ДНК.
Основное время биологической эволюции живого на Земле было потрачено на создание генных и белковых блоков и правил их комбинирования. Эволюции потребовалось около 2 млрд лет, чтобы отобрать, закрепить и отшлифовать потенциально совместимые блоки и завершить в конечном счете формирование эукариотической клетки со всеми ее неисчерпаемыми возможностями для комбинирования признаков, свойств, функций.
Возникновение многоклеточных, возможно неоднократное, и их фантастически быстрая с геологической точки зрения эволюция сравнима с шахматной блицпартией, перед которой партнеры долго вытачивали и расставляли фигуры на доске.

Дифференцировка и морфогенез

Давайте вспомним один из самых простых примеров дифференцировки: включение и выключение экспресии генов, контролирующих переработку глюкозы у кишечной палочки. Они зависят от единственного регуляторного гена, вернее его продукта – белкарепрессора. Связываясь с соответствующим участком ДНК, он блокирует экспрессию целой серии генов, кодирующих каскад перерабатывающих глюкозу ферментов. Таким образом, поглощающие и неспособные утилизировать глюкозу бактерии отличаются по сути лишь комбинацией «включенных» и «выключенных» генов.
Более сложный пример – дифференцировка полов у пекарских дрожжей. У них, так же как и у людей, существуют два пола. Комплементарные гаплоидные клетки обоих полов содержат одинаковые наборы генов, которые определяют пол. При этом в одних клетках блокирована работа одной комбинации генов, а в других – другой комбинации. В результате экспрессируются наборы признаков, определяющие тот или иной пол. Таким образом, два типа клеток дрожжей, способных спариваться, по сути различаются комбинациями работающих генов в пределах одной клетки.

Плазмогамия у дрожжей

Жизненный цикл дрожжей

Известно, что в каждой клетке каждого многоклеточного организма содержится тот же набор генов, который образовался в момент слияния половых клеток, образовавших зиготу, из которой потом развился данный организм. Специфика работы дифференцированных клеток зависит от того, какие гены включены, а какие не работают. Различные комбинации активных генов определяют специфику работы клетки. От них, в конечном счете, зависит, что будет делать клетка: воспринимать свет, проводить нервные сигналы или синтезировать кератин.
Постепенно становится понятен и механизм включения и выключения генов у эукариотических организмов. Он может осуществляться за счет метилирования ДНК – присоединения метильной группы к цитозину. Белки, активирующие работу генов, т.е. включающие их, не присоединяются к метилированной ДНК.
Индивидуальное развитие организмов – онтогенез – можно рассматривать как результат последовательного включения блоков генетической информации (групп генов), что в конечном счете приводит к формированию взрослого организма.
Очень ярко потенциальные возможности различных тканей, как бы скрытые от глаз исследователя во время нормального развития, можно продемонстрировать в специальных экспериментах. Например, если срастить клетки эпителия из глотки курицы и клетки из десен мыши, то в столь необычной ситуации куриные клетки начинают производить эмаль и подчас даже формируют настоящие зубы! Таким образом, обычный птичий клюв – продукт одного из серии возможных режимов работы эпителия.
То же, вероятно, справедливо и для многих других тканей. Сформированный организм с этой точки зрения представляет собой как бы определенную комбинацию различных режимов работы тканей: другой режим – другие формы. Эта комбинация достаточно жестко закреплена, что собственно и создает впечатление жесткой запрограммированности при развитии зародыша во взрослый организм. Однако такая комбинация далеко не единственно возможная. Эпидермис ящерицы, например, контактирующий с тканями организмов иных таксонов, продуцирует чешуи, как на цевке курицы, сосочки, по расположению напоминающие вибриссы мыши, или пластинки, типичные для птиц.
Все эти примеры можно рассматривать, однако, лишь как некую патологию, полученную в условиях эксперимента. Встречаются ли в природе необычные комбинации, в которых расположение тканей, органов или даже частей тела отличается от обычного? Да, такие примеры существуют.
Общая морфология целого организма может меняться довольно существенно, причем так, что это создает впечатление блочности его организации. Удается, например, находить иглокожих с измененной симметрией – двух-, трех-, четырех- и шестилучевых. На задних лапах морских свинок, обычно трехпалых, иногда появляется добавочный четвертый палец. У насекомых антенны порой превращаются в ноги; у двукрылых может появляться добавочная пара настоящих крыльев, возникают вариации числа сегментов груди и брюшка. У гусениц отмечены добавочные ходильные ноги. Глаза ракообразных редко, но все же превращаются в антенны.
На важность подобных редких, но очень существенных для понимания сути дела изменений, указывал еще в конце XIX в. Уильям Бетсон. Он предложил термин «гомеозис», т.е. такое изменение объекта, которое приводит к появлению сходства с другим объектом. Сейчас только начинают изучать гены, контролирующие такого рода изменения, однако уже ясно, что они играют ключевую роль в пространственной блочной организации многоклеточных организмов.
Существует точка зрения, что вся эволюция членистоногих от примитивных кольчецов через существ, подобных многоножкам, к настоящим крылатым насекомым шла по пути изменения работы гомеозисных генов. В результате менялось взаимное расположение крупных морфологических блоков. Одни сегменты сливались, другие редуцировались, третьи увеличивались…
Калейдоскопическую пестроту различных комбинаций, возможных в пределах одного вида и даже одного генотипа, демонстрируют половые различия (половой диморфизм), различия между личинками и взрослыми организмами, а также наличие каст у общественных насекомых – пчел, термитов, муравьев (хорошо известно, что принадлежность к той или иной касте нередко определяется просто диетой личинки).
Исследователи, экспериментаторы, практики, пытаясь изучить и подчинить себе живые системы, сознательно или поневоле включаются в комбинационные игры природы. Выведение пород собак с этой точки зрения представляется как извлечение новых комбинаций признаков и свойств, в потенциальной форме содержавшихся в геноме предков наших четвероногих друзей. Любопытны в этом плане и все попытки искусственного создания химер.
Вспомните, например, поразительные опыты Тарковски и Минц по выращиванию полосатых мышей – результат слияния двух зародышей с разными генотипами на стадии дробления (морулы). У дрозофил удается получать особи, одна половинка которых построена из «мужских» клеток и имеет вид типичного самца, а другая – из «женских» и выглядит как самка. Подобного рода случаи могут расцениваться лишь как лабораторные курьезы, однако они подчеркивают удивительную способность живой природы к комбинаторике на уровне целого организма.
Появление методов работы с рекомбинантными ДНК позволяет исследователям получать практически любые комбинации генов самых разных живых существ. Сейчас едва ли можно даже представить себе, какие неограниченные возможности кроются в этой области биокомбинирования.

Поведение

Изучать генетические основы поведения высших животных не так легко. Однако есть уверенность, что в будущем и в этой области будут достигнуты впечатляющие результаты. Вполне возможно, что сложное поведение удастся рассматривать как комбинирование отдельных элементарных поведенческих актов – «модулей». При изучении более просто организованных существ, например излюбленного объекта нейрофизиологов – моллюска аплизии (в просторечии именуемого морским зайцем), уже сейчас удается вскрыть тонкие механизмы «блочного» поведения.
При откладке яиц этот моллюск совершает сложную серию движений. Недавно было показано, что она определяется несколькими нейропептидами, способными усиливать и ослаблять прохождение нервных сигналов через цепи нейронов. Каждый из таких пептидов определяет простой поведенческий акт, например покачивание головы, а все вместе они обуславливают весь комплекс действий в целом.
Все эти нейромедиаторы закодированы в едином блоке генов. Совершенно очевидно, что новые программы поведения могут возникать в результате появления новых сочетаний генов, кодирующих разные нейропептиды. Последовательное «включение» генов такого блока будет приводить к осуществлению нового сложного поведенческого акта. Таким образом, сложное поведение может складываться из простых поведенческих актов, каждый из которых определяется одним или несколькими нейропептидами. Комбинационные возможности такой схемы очевидны.

Итоги

Идея создания разнообразия жизни за счет комбинирования неких частей имеет очень долгую историю. Она восходит еще к Эмпедоклу, считавшему, что сперва возникли различные части животных, затем они соединились в различных сочетаниях. Все, что оказалось недееспособным погибло, остальное выжило.
Классический дарвинизм постулировал в качестве чуть ли не единственного источника разнообразия мелкие наследственные изменения – мутации. Однако со временем стало ясно, что изменения такого рода не могут обеспечить бурное течение реки жизни. Постепенно идеи о комбинационных возможностях живого начали овладевать умами ученых. Комбинаторика не отрицает дарвинизм, а лишь расширяет границы изменчивости, поставляющей материал для отбора.
Как любой новый взгляд на природу, на мир, биокомбинаторика завоевывает сознание медленно. Сошлемся, однако, на мнение заслуженных авторитетов. Известный биохимик Е.М. Крепс считал: «Если природа нашла удачное химическое решение биологической задачи, то она сохраняет его в дальнейшей эволюции». Французский биолог Жакоб, разработавший модель экспрессии и переключения генов у прокариот, утверждал, что эволюция действует путем «перелицовки» старого. Структуры не появляются de novo. Новшества возникают путем видоизменения уже существующих систем или структур. Наиболее же эффективный способ их изменений – комбинирование составляющих их частей или блоков.
Специалисты в области эволюционной эмбриологии Рефф и Кофман пишут по этому поводу: «Эволюционные изменения генной экспрессии вероятнее всего происходили путем изменений в отдельных регуляторных элементах или путем транспозиции генов и регуляторных элементов, что создавало возможности для новых ассоциаций белковых доменов и новых ассоциаций между генами и примыкающими к ним регуляторами». Им вторит В.А. Кордюм, разработавший информационную теорию эволюции: «В чистом виде геномы можно представить как блочные системы. Блок – единица переносимой информации. Набор блоков – полный геном».
А.М. Уголев, создавший в биологии целую новую область – науку о питании (трофологию), приходит к выводу, что «…эволюция является процессом (начиная с определенного этапа), главным содержанием которого является поиск определенных полезных сочетаний существенных функциональных блоков, сформировавшихся и меняющихся относительно мало в процессе эволюции».
Закончим этот краткий обзор, посвященный роли комбинирования в живой природе, словами Шекспира: «Экономична мудрость бытия, все новое в нем шьется из старья».