«Серый цвет аскетичен. Такова его символика в обыденном языке, на этот символ и намекает Гете: „Теория, мой друг, суха, но зеленеет жизни древо“. Самое большее, на что способен цвет, не желающий быть цветом, – стать серым; зато жизнь представляется зеленым деревом – какая экстравагантность!.. Элегантное желание предпочесть серый цвет чудесной и противоречивой цветовой экстравагантности жизни приводит нас к теоретизированию. В теории мы обмениваем реальность на тот ее аспект, каким являются понятия. Вместо того чтобы в ней жить, мы о ней размышляем. Но как знать, не скрывается ли за этим явным аскетизмом и удалением от жизни, каким является чистое мышление, наиболее полная форма жизненности, ее высшая роскошь?»
– Браво, Хосе! Именно так я и думаю – даже убежден в этом.
Формализации, теоретизированию, схемам, дизайну генетического кода посвящена основная, хотя и меньшая по объему, оставшаяся часть книги, к которой Автор сейчас переходит. Первая формальная гипотеза структуры генетического кода представляет собой возможный ответ на вопрос, почему кодируемых аминокислот именно двадцать.
В 1954 году Гамов первым показал, что «при сочетании 4 нуклеотидов тройками получаются 64 комбинации, чего вполне достаточно для записи наследственной информации». Он был первым, кто предположил кодирование аминокислот триплетами нуклеотидов и выразил надежду, что «кто-нибудь из более молодых учѐных доживѐт до его [генетического кода] расшифровки». В 1968 году американцы Роберт Холли, Хар Корана и Маршалл Ниренберг получили Нобелевскую премию за расшифровку генетического кода. Премия была присуждена уже после смерти Георгия Гамова в том же году четырьмя месяцами ранее.
Числа 64 (теоретическая емкость кода) и 20 (фактическая кодирующая емкость, то есть количество кодируемых аминокислот) составляют соотношение правил комбинаторики для размещений и сочетаний с повторами: число А размещений (упорядоченных наборов) с повторами из r (r = 3; размер кодона) элементов множества М, содержащего k (k = 4; число оснований) элементов, равно
Akr = kr= A43 = 64,
а число С сочетаний с повторами из k элементов по r, т. е. любое подмножество из 3 элементов множества, содержащего 4 элемента, равно:
Сkr= [(k+r-1)!] : [r! (k-1)!] = С43= 20.
Это немедленно подводит к мысли о том, что эволюция генетического кода могла начаться с этапа «наборного» кодирования, когда продукт кодировался не последовательностью оснований триплета, а их набором, то есть две такие группы кодонов, как например, САА, АСА, ААС или TGC, TCG, GCT, GTC, CTG, CGT были функционально равнозначны (внутри группы) и направляли синтез одной и той же аминокислоты каждый. Подобные соображения приходят в голову при чтении работ Ишигами и Нагано (1975) – с их идеей о том, что каждая первичная аминокислота могла соответствовать широкому набору кодонов, а также Фолсома (1977) и Трейнора (1984) – с их идеей пермутации оснований в рамках триплета. Очевидно, что меньшее число кодонов не обеспечивало необходимого разнообразия продуктов, а большее было избыточно и, по крайней мере, не соответствовало числу известных сегодня аминокислот. В свое время мы также внесли (очень) скромную лепту в эти идеи, отметив, что число сочетаний из 4 по 3 с повторами иллюстрируется числом квантовых состояний Бозе-газа из трех частиц с четырьмя вероятными собственными квантовыми состояниями54.
Позднее Гамов предложил схему реализации генетического кода, которая предусматривала сборку полипептида непосредственно на молекуле ДНК. По этой модели, каждая аминокислота помещается в ромбической выемке между четырьмя нуклеотидами, по два от каждой из комплементарных цепей. Хотя такой ромб состоит из четырѐх нуклеотидов и, следовательно, число сочетаний равно 256, из-за ограничений, связанных с водородными связями нуклеотидных остатков, возможными оказываются как раз 20 вариантов таких ромбов. Эта схема, получившая название бубнового кода, предполагает корреляцию между последовательными аминокислотными остатками, так как два нуклеотида всегда входят в два соседних ромба (перекрывающийся код). Дальнейшие исследования показали, однако, что эта модель Гамова также не согласуется с опытными данными.
Если бы емкость генетического кода использовалась без остатка, то есть каждому триплету соответствовала бы только одна аминокислота, его защищенность была бы весьма сомнительна: любая нуклеотидная мутация могла оказаться катастрофической. В случае же действующей версии треть случайных точечных мутаций приходится на последние буквы кодонов, половина которых (кодоны октета I) к мутациям не чувствительна вовсе: третья буква кодона может быть любой из четырех – T, C, A или G. Устойчивость к точечным мутациям кодонов октета II в значительной степени определяется двумя факторами – (1) возможностью произвольной замены третьего основания (правда, уже при выборе только из двух – либо пуринов, либо пиримидинов), не меняющей кодируемой аминокислоты вовсе, и (2) возможностью замены пуринов на пиримидины и наоборот, которая сохраняет близкую гидрофильность/гидрофобность продуктов, хотя и не сохраняет их массы. Таким образом, Природа использует чрезвычайно удачный «люфт», называемый вырожденностью кода, когда кодируемому знаку соответствует более, чем один кодирующий.
Эволюция последовательно уточняла функции каждого из трех оснований кодона, что, в конечном счете, привело строгой триплетности только двух кодонов: ATG – для M (метионина) и TTG – для W (триптофана). По способности триплета кодировать только одну аминокислоту отнесем эти два к группе вырожденности I. Когда продукт кодируется фиксированным дублетом оснований, а третье может быть любым из четырех возможных и фактически служит разделителем между функциональными дублетами, говорят об аминокислотах группы вырожденности IV; таких аминокислот восемь: аланин, A, аргинин, R, валин, V, глицин, G, лейцин, L, пролин, P, серин, S, треонин, T. Обобщенный кодон для каждой аминокислоты этой группы, например, лейцина, записывается так: СТN (N—произвольное основание).
Двенадцать кодируемых продуктов относятся к группе вырожденности II; в этой группе третье основание – одно из двух (а не из четырех, как в предыдущем случае): это пурин (R), то есть, либо аденин, А, либо гуанин, G, – или пиримидин (Y), то есть, либо цитозин, С, либо тимидин, Т. К этой группе относятся три аминокислоты, знакомые нам по четвертой группе вырожденности, – аргинин, лейцин и серин, но кодируемые здесь другими дублетами, две пары – аспарагин/аспарагиновая кислота (N/D), и глутамин/глутаминовая кислота (Q/E), а также гистидин H, лизин K, и тирозин Y. Универсальный генетический код относит к этой группе также цистеин С, с его двумя кодирующими триплетами – TGC и TGT, то есть, с третьим пиримидином, а также три стоп-кодона, TAG, TAA и TGA, которые работают только как пунктуационные знаки, фиксирующие окончание гена, но не кодирующие никакой аминокислоты. Обобщенный кодон для аминокислот этой группы, например, аспарагина, записывается так: AAY, а аспарагиновой кислоты – GAR.
Наконец, группа вырожденности III содержит изолейцин, кодируемый тремя триплетами ATA, ATC и ATT. Основания А, С и Т, третьи в кодонах для I, имеют общий символ Н, поэтому обобщенный изолейциновый кодон записывается так: АТН. Все эти особенности кода хорошо иллюстрирует приведенная выше его таблица.
Любопытно, что молекулярная масса кодируемой аминокислоты находится в обратной зависимости от номера группы вырожденности, к которой она относится (В. Щербак). Это первое, отмечаемое здесь, свидетельство очевидной причастности молекулярной массы компонентов генетического кода к его рациональной организации.
В приведенной табличке упорядоченность по нарастанию молекулярной массы относится к аминокислотам в составе упорядоченных по номерам групп вырожденности (римские цифры), сгруппированным в два октета (арабские цифры). При этом позиция цистеина С скорректирована, о чем речь будет идти в следующей главе; там же мы расскажем и об октетах.