Стоит вопрос: как возникает эта наследуемая разница? Когда клетка печени делится, она производит дочерние клетки, которые тоже являются клетками печени, а не кожи, крови или мышечными клетками.
Различные типы тканей одного организма разные, потому что в разных тканях работают разные гены. Для того чтобы понять процесс дифференцировки, процесс того, как происходит развитие, как возникает разнообразие из исходного однообразного состояния оплодотворенной яйцеклетки, изначально необходимо узнать ответ на вопрос, почему включаются или выключаются разные гены в определенных условиях. В человеческом геноме закодировано около 30 тысяч генов. Если часть из них работает в каждой клетке нашего тела, то в тканях работают лишь некоторые.
Под работой генов понимается выражение той генетической информации, которая находится в гене. Сам по себе ген — это последовательность молекулы ДНК, в которой языком из четырех букв — A, G, C и T — закодировано послание. Это послание в конечном счете находит свое выражение в белке, ферменте, единице функции, которая что-то делает. Например, волосы состоят из определенного белка.
Начиная с 1950-х годов ученые пытались ответить на этот вопрос, что позволяет определенному гену включиться в нужное время и почему он перестает работать в определенное время. Ответ на этот вопрос был получен при изучении бактерий, потому что с ними удобнее работать.
Мы говорим о процессе регуляции экспрессии генов. Работа гена — это экспрессия, которая оказывается регулируемой, потому что может быть повышена или понижена до любого требуемого уровня в зависимости от условий окружающей среды. Основной момент, на который происходит процесс регуляции генов, носит название транскрипции гена. Генетическая информация выражается следующим образом. Последовательность ДНК транскрибируется, то есть превращается в молекулы РНК. РНК очень похожа на ДНК. А затем РНК транслируется и превращается в белок. За процесс транскрипции в клетке отвечает древний фермент, который называется РНК-полимеразой. Он возник тогда же, когда и первая клетка. И все, что сейчас является живым, содержит в себе похожие ферменты РНК-полимеразы. То есть РНК-полимераза человека похожа на РНК-полимеразу бактерии, потому что они имеют общее происхождение.
Решение о том, будет или не будет ген работать и экспрессироваться, связано с тем, способна ли РНК-полимераза узнать этот ген, связаться с ним и транскрибировать его, то есть сделать копию РНК. Есть несколько уровней, на которых осуществляется регуляция такого рода. Вся регуляция в клетке связана с взаимодействием молекул. Большие биологические молекулы взаимодействуют друг с другом специальным образом, и в результате взаимодействия РНК-полимеразы и какого-то из генов ген начинает работать. А если РНК-полимераза не связывается с этим геном, то ген молчит.
В итоге выяснилось, что у высших организмов происходит то же самое. С одной стороны, есть специальные белки-репрессоры или ингибиторы, которые способны предотвратить доступ РНК-полимеразы к молекуле ДНК или к гену, когда РНК-полимераза не может узнать ген и связаться с ним, потому что его место занято. В таком случае ген можно активировать, убрав репрессор.
Но если РНК-полимераза по какой-то причине плохо узнает ген, то можно активировать транскрипцию, найти способ привлечения РНК-полимеразы конкретно к этому гену. Для этого существуют специальные белки-активаторы. В геноме очень много таких транскрипционных факторов активаторов, цель которых заключена в привлечении РНК-полимеразы к гену в нужный момент и обеспечении эффективной транскрипции.
Таким образом, вся проблема регуляции генов сводится к наличию активаторов и репрессоров, балансу между их активностью. Это позволяет в нужных условиях всегда достигать правильного уровня.
Раньше люди изучали такие процессы, используя большие ансамбли клеток. Например, люди, которые изучают экспрессию генов на бактерии, изучали популяцию бактерий, в которой содержались миллионы индивидуальных бактерий. Они видели, что активность того или иного гена повышается или понижается до общего среднего уровня. И все воспринимали уровень активности гена как интегральное число: ген работает на 100%, ген выключен на 100% или ген работает на 50%. Но было понимание, что все клетки в популяции устроены именно так, что все они являются однообразными и одинаковыми.
Но если посмотреть на уровень отдельных клеток — то же, что и в людской популяции. Если посмотреть на миллионы людей, все кажется статистикой, все личные истории неважны. Но если обратить внимание на каждого отдельного человека, прослеживается индивидуальность.
Современное развитие получило очень мощное развитие в последние годы, позволило исследователям смотреть и оценивать активность генов в отдельной клетке и бактерии. Представьте простой эксперимент: вы берете популяцию клеток и знаете, что какой-то ген работает на 50% своей теоретической силы. Теперь рассмотрите каждую клетку. Мы что-то удивительное, потому что уровень активности генов действительно порядка 50%, но в отдельных клетках он может сильно различаться. В некоторых клетках он может быть вообще выключен, хотя этого не должно быть. А в некоторых он работает в полную силу.
Таким образом, мы получаем распределение от очень низкой до высокой активности гена с тем средним, которое определялось в этих глобальных макроскопических экспериментах, изучаемых наукой в прошлом веке. Именно те клетки, которые выделяются из этого среднего, которые ведут себя не по правилам, наиболее интересны с точки зрения того, что происходит с популяцией, после того как изменяются условия среды.
Грандиозной проблемой современной медицины является распространяющаяся устойчивость к антибиотикам. Если говорить на уровне миллиардов клеток, то нормальное состояние микроба дикого типа — это чувствительность к антибиотику. Но в популяции всегда присутствует небольшое количество клеток, которое генетически устойчиво к этому антибиотику. То есть в данный момент антибиотик не способен на них действовать, и это происходит случайно. После того как в случае пациента производится лечение антибиотиком и большая часть клеток умирает, небольшая часть клеток, которые были на краю распределения, выжила, потому что в момент использования антибиотика клетки были к нему устойчивы не генетически, а случайно.
Часть антибиотиков действует только на делящиеся клетки, но та клетка, которая не делится в данный момент, не поддается действию. И при принятии таблетки небольшое количество бактерий оказалось целым. Можно подумать, что это плохие бактерии, потому что не производят токсины. Они вдруг выживают и дают новую популяцию клеток, которая распространяется.
Ответ на вопрос «Где же находятся те клетки, на которые не распространяются общеизвестные правила?» очевиден, он кроется во взаимодействиях молекул, на которых построена вся жизнь. Когда ген работает, РНК-полимераза связывается с участком гена и начинает его транскрипцию. Это значит, что ген работает.
У вас есть молекула свободной РНК-полимеразы, есть ген, в котором должно произойти взаимодействие, узнавание этого гена, а потом должна пойти транскрипция. Но у вас не может быть ситуации, когда РНК-полимераза полностью свободна или связана, потому что будет распределение. В миллиардах таких ситуаций РНК-полимераза свободная и связанная. И в большинстве случаев она будет связана, но какое-то количество свободной полимеразы будет всегда, — например, гена, не связанного с РНК-полимеразой. Это некая функция сродства одной молекулы к другой. Всегда при достаточно большой популяции будут присутствовать оба конечных варианта, просто в разных распределениях. Этого факта невозможно избежать. Может быть, если РНК-полимераза хорошо связывается с геном, то в большинстве случаев она будет с ним связана, если плохо, то наоборот, но всегда будет то, что связано.
Клетки в популяции оказываются индивидуальными. Некоторые из них отличны от того, что в среднем, от положения, которое предполагается быть. Явление получило название генетического шума и сейчас активно начинает изучаться в связи с развитием различных технологий.
Чтобы понять, откуда оно происходит, сосредоточимся на идее или модели одной клетки, в которой определенный ген выключен, потому что связан с белком-репрессором, который не дает РНК-полимеразе связаться с этим геном. И представим себе, что количество молекул репрессора в клетке всего несколько штук. А теперь пусть наша клетка делится. Она начинает делиться, и мы считаем, что возникли две совершенно одинаковые дочерние клетки, но с ненулевой вероятностью может оказаться так, что все молекулы репрессора или их большинство оказались в одной дочерней клетке. И там активность гена оказалась выключена, сам ген не работает. Но в другой дочерней клетке случайное количество молекул репрессора оказалось низким или даже нулевым. В этой клетке за счет такого стохастического распределения небольшого количества молекул транскрипционного фактора ген начал работать. Это короткое состояние, которое потом исправится. Но возникает такое маленькое окошко нестабильности, которое произошло после разделения клеток.
И в этот момент может возникнуть масса интересных вещей, которые сейчас люди пытаются изучать. Их сложно изучать, потому что это короткоживущие состояния, но они очень важны. И они являются имманентной частью жизни, потому что всякое деление клетки — катастрофическое с точки зрения клетки событие, оно до некоторой степени стирает память о предыдущем состоянии. Ситуация потом может либо нормализоваться, либо стать такой, какой она должна быть, а может, необратимо измениться.
