Человеческая клетка

Согласно недавнему отчету в Журнале Американской медицинской ассоциации, вывод нового препарата на рынок обходится в среднем в 1,3 миллиарда долларов и занимает до 20 лет.

Эти астрономические суммы действительно учитывают миллиарды долларов и годы исследований, вложенных в потенциально перспективные методы лечения, которые в конечном итоге ни к чему не приводят, по словам Дэвида Харела, соучредителя и генерального директора CytoReason, израильского стартапа, использующего искусственный интеллект и массивы данных о человеческом организме для создания вычислительных моделей заболеваний, поражающих человечество.

“Разработка новых лекарств обходится очень, очень дорого. И причина, по которой это дорого, заключается не только в прямых затратах, но и в высоком проценте неудач”, - говорит Харел NoCamels.

“Более 90 процентов программ разработки лекарств терпят неудачу. И если они стоят десятки или сотни миллионов каждый, стоимость вывода одного препарата на рынок становится непозволительно высокой”, - говорит он.

Компания CytoReason, основанная в 2016 году и базирующаяся в Тель-Авиве, объединяет десятки экспертов в области биологии и данных, которые работают с фармацевтическими и биотехнологическими компаниями над определением наиболее актуальных и жизнеспособных новых методов лечения для пациентов, что буквально экономит время и деньги. 

Харель говорит, что рост расходов на здравоохранение был очевиден для всех, и предупреждает, что это явление угрожает сместить фокус отрасли с пациентов на производственные процессы.

«Мы не хотим этого видеть, но огромные затраты и огромный риск усложняют ситуацию», — говорит он.

Сегодня, объясняет Харель, доступно беспрецедентное количество научных данных о том, как организм работает и реагирует на различные лекарства, но анализ того, что нам говорят эти данные, требует времени и ресурсов.

«Чтобы исключить затраты, связанные с методом проб и ошибок, нам нужна предсказуемость. А чтобы добиться предсказуемости, мы используем данные», — говорит он.

По словам Харела, платформа искусственного интеллекта CytoReason — это решение трудоемких процессов как анализа данных, так и создания лекарств, последнее из которых также является дорогостоящим. 

Платформа CytoReason, по его словам, используется как фармацевтическими, так и биотехнологическими компаниями, чтобы сделать анализ больших объемов этих данных в целях открытия и разработки лекарств «дешевле, быстрее и вероятнее». 

Для Харела создание CytoReason стало естественным шагом по сравнению с его предыдущей ролью в управлении компанией в США, которая занималась перемещением электронных медицинских записей (EMR) американских пациентов в облако. 

Харелу пришло в голову, что такой значительный объем медицинских данных в одном месте может иметь огромное значение для медицинских исследований. 

«Мы увидели, что как только данные попадают в облако, появляется новая возможность извлечь из них пользу», — объясняет он. «Если эти данные есть на компьютере в кабинете каждого врача – у вас мало пациентов здесь, несколько пациентов там – невозможно извлечь пользу из данных».

Но если у вас есть масса информации в облаке, можно понять поведение и тенденции среди значительного числа пациентов.

Вернувшись в Израиль, Харель обсудил это открытие со своим другом Шаем Шен-Орром, доцентом Израильского технологического института Технион, который стал соучредителем и главным научным сотрудником CytoReason.

Вместе они пришли к выводу, что они могут взять научные данные из различных источников и, как выразился Харел, «объединить их все вместе в платформу, которая будет полезна для врача или разработчика лекарств».

Их основным источником данных были сами фармацевтические компании, которые просто не могли обрабатывать данные, хранившиеся на собственных серверах, даже не учитывая, какие еще источники данных существовали.

Фармацевтические компании располагают огромным количеством данных о своих препаратах, как успешных, так и неудачных, объясняет Харел.

«Но в каждую новую программу и даже в любой новый препарат, который они пытаются разработать, они не включают все, что у них есть, не говоря уже о других людях или академическом сообществе. Потому что для анализа всех этих данных им понадобится так много людей, что это будет технологическая компания, а не фармацевтическая компания». 

CytoReason берет все данные, предоставленные компаниями (которые объединены вместе, поэтому отдельные источники не могут быть идентифицированы), и с помощью искусственного интеллекта сортирует их в конкретные модели для конкретных заболеваний. 

Эти вычислительные модели заболеваний представляют собой цифровое представление воздействия конкретных заболеваний на организм человека, основанное на данных, собранных из таких источников, как биопсия и заборы крови. 

«У нас есть пакет всех данных, описывающих биологию заболевания наилучшим образом, доступным на сегодняшний день», — говорит Харел. «Фармацевтические компании… используют эти агрегированные данные, чтобы принимать решения, какой препарат разрабатывать и для каких пациентов».

Харель приводит пример фармацевтической компании, такой как Pfizer, стремящейся разработать новый метод лечения рака толстой кишки. CytoReason, объясняет он, предоставит Pfizer вычислительную модель этого заболевания и его воздействия на организм, с которой смогут работать ученые, разрабатывающие потенциальное лекарство.

«Платформа позволяет им исследовать свой препарат», — говорит он.

Харель снова указывает на огромные суммы, необходимые для разработки лекарств, но подходит к этому с точки зрения денег, потерянных из-за медленного процесса разработки.

«Лекарство, которое хорошо продается, будет продаваться на сумму более миллиарда долларов в год, если оно будет бороться с правильным заболеванием», - объясняет он.

«Вместо того, чтобы лаять не на то дерево, они сэкономят год разработки, а это может составить миллиард долларов – 3 миллиона долларов в день. Если вы сократите процесс разработки на один день, вы заработаете для фармацевтической компании в среднем 3 миллиона долларов».

Цель состоит в том, чтобы как можно быстрее вывести на рынок новый препарат, поскольку патент на него действует всего 20 лет, после чего конкуренты могут создать свою собственную генерическую версию, воспользовавшись преимуществами дорогостоящего процесса исследований и разработок, оплаченного конкурентом.

CytoReason — не единственная компания, работающая над этой формой компьютерного моделирования для разработки лекарств, но Харел считает, что она является крупнейшей в мире «с точки зрения численности персонала и доходов».

И вместо того, чтобы просто проверять название, потому что это одна из самых известных фармацевтических компаний, Pfizer сотрудничает с CytoReason с 2017 года, как и другие крупные компании в отрасли.

И хотя Харель рад раскрыть названия компаний, с которыми работает CytoReason, препараты, над которыми они сотрудничали, остаются конфиденциальными.

По словам Харела, название компании появилось по предложению Шен-Орра. Слово "reason"- «причина» было включено для обозначения того факта, что болезни объясняются разумом, тогда как «cyto» означает «клетки» и является латинизированной формой греческого слова « kytos» или «полый сосуд».

«Клетки — это атомная единица человеческого тела», — отмечает Харель, — «и для того, чтобы правильно понимать болезни и способы их лечения, вам необходимо понимать клетки».

Перевод с английского

ИСТОЧНИК

С использованием микроскопа

Я уже три серии пишу про мутации, а что это вообще такое? Если ДНК-Теломераза допускает ошибку, копируя текст, – это уже мутация? Или еще нет? Если произошла порча ДНК ультрафиолетом или радиацией – это мутация или ещё нет? Официально - ещё нет. Для того, чтобы ошибка или поломка стала мутацией, она должна закрепиться. То есть остаться по каким-то причинам незамеченной, перестать восприниматься как косяк и успешно слиться с текстом. А ещё, ошибка должна получить возможность передаваться по наследству клону или потомку. Если клетка с косяком в геноме прошла деление – значит ошибка сто процентов закрепилась и будет передаваться далее (если, конечно, совместима с жизнью).

Итак: стойкая, передающаяся от клетки к клетке ошибка в наследственной информации – это и есть мутация. По уровню возникновения мутации бывают генные (например: ошибка в слове), хромосомные (например, потеря главы книги), и геномные (например, появление третьей копии книги). Мы в теме канцерогенеза рассматриваем генные мутации, о них и будет идти речь далее.

Тема мутаций очень интересная, потому давайте разберём сегодня несколько примеров, чтобы понимать, что к чему.

Что общего у человека и морской свинки? Потеря гена.

По причине мутаций, которые произошли около 60 миллионов лет назад, у приматов был утерян ген, который является инструкцией по сборке важного фермента. Этот фермент является последним звеном в реакции синтеза аскорбиновой кислоты. Все нормальные млекопитающие могут стряпать этот жизненно важный витамин в своих клеточных лабораториях. Даже ваш кот запросто фигачит аскорбинку прямо в клетках печени не слезая с дивана, а вы, венец творенья, так не умеете. При чём, сам необходимый для этого ген (GULO) остался и болтается в геноме приматов до сих пор, но он настолько "измутантился", что превратился в бесполезную абракадабру, которая даже не читается - в псевдоген.

Почему этот важный ген был так испорчен мутациями? А фиг его знает. Одна из самых распространённых гипотез говорит о том, что витамина С у предков с лихвой хватало в рационе, потому ген попросту сначала случайно испортился - а никто даже не заметил; потом он и вовсе "отвалился" за ненадобностью и мутация перешла "по наследству" следующему виду (мутации, кстати, и сами участвуют в видообразовании, если что). Принцип "Используй, иначе потеряешь" - это про эволюцию, ага. Хотя, вполне вероятно, что вследствие потери одной функции, мы получили какие-то преимущества в другой. Плюшки, если даже они есть, остаются пока невыясненными. А вот смертоносные последствия этой замечательной мутации человечество прочувствовало на себе в ХIII веке, когда стали доступными длительные морские переходы. Витамин С критически необходим для нормальной сборки и стабилизации коллагена – самого главного белка соединительных тканей животных. Коллаген - основа костной ткани, связки, фасции, кожа, строма внутренних органов и др. Без аскорбинки этот белок получается китайского качества и все конструкции, которые на нём держатся, тупо расползаются. Первыми сдаются кровеносные сосуды - они не выдерживают давления крови и начинают «протекать». Связочный аппарат становятся никудышним – это заметно в первую очередь по зубным связкам, так как они наиболее тонкие: зубы отшвартовываются и покидают хозяина один за другим. Да фиг с ними, с зубами: в конце концов весь организм распадается, будто шитый гнилыми нитками. Вот тебе и мутация... Кушайте фрукты и овощи, ёпрст.

Кстати, приматы, в потере способности синтеза аскорбинки не одиноки: в компанию лузеров, лишившихся ценной инструкции, попали ещё морские свинки (морские, ха-ха-ха). Но, как показали генетические исследования, они утратили эту способность другим путём: вследствие иных мутаций.

Когда морковка не спасает. Ослабление функции гена.

Вот пример не такой критичный: когда-то случившиеся буквенные мутации в гене BCMO понижают способность клеток человека трансформировать бета-каротин в ретинол (витамин А). Происходит не потеря фермента, как в предыдущем случае, а небольшие изменения в составе аминокислот, потому фермент становится менее эффективным в работе. Несмертельно (потому мутация благополучно передаётся по наследству), но неприятно – у индивида, который схлопотал такой вариант гена, может развиться гиповитаминоз  витамина А. Совет жрать больше морковки для мутантов в гене ВСМО не актуален: мутанты от этого лишь становятся оранжевого цвета - а толку никакого. В овощах и фруктах содержится в основном бета-каротин, и преимущественным источником витамина А для таких людей являются продукты животного происхождения, в которых ретинол есть уже в готовом виде.

Сомнительная польза.

Мутации излишне распиарены кинематографом: как вы уже понимаете, ошибка в генах запросто может сделать многоклеточное существо несовместимым с жизнью, но никогда не наделит его какими-то эффектными супер-способностями. Максимум некоторые клетки внутри организма станут работать немного лучше: ускорятся (замедлятся) какие-то межклеточные процессы. А так как организм чрезвычайно сложная система, то польза в одном тут же может принести вред в другом.

Держите интересный пример: существует мутация в гене CCR5, которая делает человека невосприимчивым к ВИЧ-1. Вернее, мутация делает невосприимчивыми к вирусу его иммунные клетки. Неужели это какая-то клеточная броня или супер-оружие? Нет, всё весьма прозаично. Вирус иммунодефицита проникает в иммунного защитника через белковый рецептор СD4. Этот рецептор - важный распознаватель информации на оболочке Т-лимфоцитов (а также макрофагов и некоторые других иммунных клеток). Так вот, из-за ошибок в инструкции, молекула СD4 у мутантов получается короче, чем надо. Вирус просто не может к рецептору прицепиться. И чо? И всё. Прицепиться не может - значит и пролезть внутрь не в состоянии, стало быть воспользоваться оборудованием клетки, чтобы наколбасить своих копий и размножиться ему не судьба. Вот такая супер-способность. До Человека-Паука, конечно, далеко... Но всё же. Как назовём такого супер-героя? Человек-Короткий-Рецептор?

Смех смехом, но невосприимчивость к смертельно опасной болезни – действительно штука стоящая. Также подумал один китайский учёный и вмешался в геном человека, создав первых в мире ГМ детей, невосприимчивых к ВИЧ. Да, первые генетически модифицированные люди, о которых стало известно общественности, появились ещё в 2018 году.

Про эксперимент Хэ Цзянькуя подробно вы можете почитать сами, если интересно. Коротко: единственный момент, когда можно наиболее эффективно вмешаться в геном многоклеточного, это, конечно, стадия оплодотворённой яйцеклетки. То есть, когда организм представлен всего одной клеткой. Если её геном отредактировать, то все последующие клетки получат изменённый ген. Так Цьзянькуй и поступил, создав в пробирке двух близняшек, невосприимчивых к ВИЧ - он вырезал нормальный ген и вставил тот, который с "укороченной" мутацией. Кстати, по последним данным, получившиеся девочки Лулу и Нана чувствуют себя нормально, а учёный недавно вышел из тюрьмы и смиренно объявил, что собирается приступить к более законным исследованиям... Этические оценки такого потрясающего по своей значимости и наглости эксперимента мы оставим за бортом, но озадачимся вопросом в нашу тему: этот рецептор Т-лимфоциту очевидно для чего-то нужен. Лимфоцита самого вообще спросили, прежде чем у него что-то укорачивать? После эксперимента Цзянькуя стали пристально изучать людей с мутацией СD4 и заприметили, что им свойственна более ранняя смертность. Мутантный рецептор, судя по предположениям, делает иммунные клетки "подслеповатыми" к прочтению вражеских антигенов.

Естественно, такая "подслеповатость" сказывается на эффективности иммунитета. Выходит, что данная мутация делает человека невосприимчивым к одному из типов ВИЧ, но зато он становится более уязвимым к банальному гриппу. Такая себе сделка с Рогатым получается.

Человек-Кефир и Человек-Шоколад. Адаптивные мутации.

И всё же, супергерои-мутанты у нас есть. Генетические исследования последних лет говорят о том, что наши древние предки, которые жили в лесах, были умеренно пигментированными. Средней коричневости, так сказать. Выход под палящее солнце в саванну и принуждение вести дневной образ жизни (остальные биологические ниши были заняты) привели к закреплению мутаций которые делают кожу от тёмно-шоколадной до угольно-чёрной. Мы уже выяснили, что ультрафиолет активно портит ДНК, потому на экваторе защиты от него много не бывает - вот и вышли в тренд товарищи с защитным плащом помощнее. А вот предкам, переселившимся в более северные регионы, где солнце в дефиците, наоборот выжить помогли мутации, которые делают умеренно-пигментированную кожу белее. И тут всё понятно: ультрафиолет не только враг, но и друг. Он, конечно, портит ДНК, сволочь, но также необходим для выработки витамина Д. Потому на экваторе супер-героем стал супер-пигментированный Человек-Шоколад, а на севере – Человек-Кефир, который может поймать те несчастные пару лучей, на которые расщедрится северный климат и не помереть от нехватки витамина Д.

Кстати, для самых любознательных расскажу, почему голубые(синие) глаза чаще всего идут неотъемлемым бонусом к мутации светлой кожи на примере одной из самых распространённых мутаций, связанных с пигментацией. Есть ген ОСА2. По его инструкции собирается белок-транспортёр тирозина (сырья, из которого делается пигмент меланин). А есть ещё ген НЕRC2 – он регулирует количество этого белка-транспортёра. Как? А просто помогает «развернуть страницу», на которой ОСА2 записан - делает удобную для считывания петлю строки ДНК. Мутация в НЕRC2 не даёт нужному участку ДНК нормально размотаться, потому инструкция ОСА2 остаётся плохо доступной для считывания. Итог: транспортёр тирозина в дефиците, значит сырье для производства меланина не будет доставлено куда надо и пигмент делать тупо будет не из чего. Такой вот сбой в логистике получается. При этом варианте будет и кожа почти без меланина, и глаза без него: меланоциты эпидермиса и радужки будут валяться на диване и бездельничать. Это далеко не единственный вариант мутаций, связанных с пигментацией. Есть мутации в гене, кодирующем тирозиназу - фермент, который, собственно, превращает сырьё (тирозин) в пигмент. И др.

Это так не работает.

Теперь немного об ограничениях. Очень круто, (наверное) если у тебя начинает вдруг выделяться паутина. Да ещё и не из-под анального отверстия, как у порядочных пауков, а почему-то из руки... Но у мутаций, как вы понимаете, существует просто дичайшее количество потолков и ограничений. Я не буду подробно объяснять, почему выделение паутины человеком невозможно ни при каких мутациях (ни из рук, ни из-под задницы), лучше давайте разберём такую, казалось бы, простую штуку, как голубой или зелёный цвет шерсти или волос. Шерсть (волосы) млекопитающих на нашей планете может быть окрашена во все оттенки коричневого и оранжевого. Эти краски получаются при смешивании всего двух типов пигментов меланинов: коричневого эумеланина и желто-оранжевого феомеланина. Белый – это отсутствие пигментов, чёрный – очень большая их концентрация. Но ни зелёной, ни синей шерсти мы не наблюдаем. А как было бы красиво, правда? Фиолетовый кот Мурзик… Зелёный конь на зелёном лугу… Какого фига мы все какие-то уныло-коричневые??? Неужели нет синих и зелёных пигментов?

Пигменты-то есть, да не про нашу честь. Синий и зелёный пигменты запросто стряпают растения. И синий, и фиолетовый, и розовый… Какой хочешь – растения мастера биохимических художеств https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431905/A... А вот у животных подобных ферментативных путей нет от слова совсем. Другими словами, чтобы заставить меланоциты животных производить не коричневый, а, к примеру, синий пигмент, нужно более десятка специальных ферментов. А это значит, нужно иметь по меньшей мере десять различных генов-инструкций, которых у животных нет и в помине. И мутации тут, как вы понимаете, совершенно бессильны. Если так обстоят дела с одним пигментом, то что уж про такие сложные органы, как паутинные железы говорить… Так что, в нашей реальности придётся довольствоваться Человеком-Кефиром и Человеком -Шоколадом.

Во всём виноваты мужики.

Да, мутации - дело тонкое... Как правило, они вредны для организмов: полезное изменение, дающее преимущество при отборе и сохраняющееся в процессе дальнейшей эволюции, — исключительный случай. Но в целом, мутации – один один из двигателей эволюции и развития жизни на планете. Не было бы мутаций - не было бы ни Мурзика, ни кактуса, ни нас с вами. А теперь самое интересное. Вот, допустим, случилась в макрофаге товарища Василия положительная мутация. Пусть он стал бегать быстрее всех и побил рекорд на конкурсе по поеданию бактерий. Да хоть летать бы он научится, но к передаче этой способности потомку Василия макрофаг никакого отношения не имеет. За мутации, которые могут стать двигателем эволюции и будут участвовать в образовании новых способностей (и даже новых видов), отвечают исключительно половые клетки, а не соматические (все остальные). Только сперматозоиды и яйцеклетки могут передать ошибки в геноме дальше по эстафете, другому организму. Особенно накоплению мутаций подвержены сперматозоиды, так как предшественники мужских половых клеток делятся на протяжении всей жизни, отправляя в каждый поход армию миллионов в пятьдесят. С женскими половыми клетками всё иначе: предшественники яйцеклеток активно делятся ещё до рождения (во время развития эмбриона), а потом выходят на сцену поочерёдно, по одной (реже вдвоём и более). Так как сперматогонии мужчин делятся, как сумасшедшие, то и ошибки в ДНК происходят и закрепляются у них гораздо чаще. То бишь в мутациях виноваты больше мужики, чем дамы. И, чем старше мужчина, тем больше накапливается в его половых клетках мутаций. О как.

Кстати, факт большей подверженности мутационным изменениям мужских половых клеток, красиво ложится на эволюционную теорию полов Геодакяна, в которой женский пол выступает консервативным, а мужской - прогрессивным и новаторским. Об этом у меня тут: Волосатые женщины и прогрессивные мужчины: зачем нужны ДВА пола? Биология(часть 2)

Соматические мутации.

Все возможные полезные свойства мутаций испаряются, если мы переместимся внутрь многоклеточного организма. Там за одно слово «мутация» нейтрофил вас ошпарит гипохлорной кислотой, а макрофаг сожрёт, разберёт на молекулы и подметёт остатки веничком. Внутри сообщества генетически идентичных клонов, готовых умереть друг за друга, мутанты ох как не приветствуются. Мутации могут затронуть гены, которые отвечают за альтруистичное поведение клетки, а появление эгоиста в дружном сообществе может поставить под угрозу гибели всех.

Чтобы не нагнетать пессимизму, скажу сразу: клетка не становится злокачественным эгоистом за одну мутацию. Это выяснил ещё в 70 годах учёный А. Кнудсон. Он предположил, что для возникновения опухоли необходимы как минимум две последующие друг за другом мутации в одной клеточной линии, не меньше (гипотеза двойного удара). Позже выяснили: чтобы у клетки окончательно пропала совесть и она решила завоевать мир, нужно даже больше двух закрепившихся ошибок. При чём это должны быть ошибки не абыгде, а в строго определенных генах, которых насчитывается чуть более ста (всего в геноме человека генов около 20 тысяч)

Но подробнее об этом уже в следующей серии. Не уходите далеко.

(Рисунки мои, пишу книгу, тренируюсь на вас, радуюсь обратной связи)

В предыдущей серии мы разбирались, как работают «мозги» у нормальной клетки многоклеточного организма Мутанты-отступники многоклеточного мира. Часть 1. Права, обязанности и микро-мозги А сегодня познакомимся с системой передачи данных, которой почти четыре миллиарда лет. Не только лишь все, конечно, знают о молекуле ДНК, в которой закодирована информация о любом организме, но дальше начинаются непонятки: кодоны, локусы... Да и само слово код тоже какое-то неродное. Но ведь наша человечья письменность - это тоже код. По определению, письменность - это система знаков, предназначенная для фиксации, передачи данных на расстояния и придания этим данным вневременного характера. Под это определение идеально подпадает и генетическая система. Так что, предлагаю рассмотреть геном именно как биохимическую письменность живых организмов с планеты Земля.

ДНК письменность универсальна для всех живых существ на планете. Ею пользуется и бактерия, и клетка слона. Если кусок генетического кода взять у бактерии и пересадить в ДНК слона – клетка слона сможет этот кусок «прочесть» - то есть снять с него копию и выполнить какие-то действия. Мы, хомо-сапиенсы, научились использовать универсальность биомолекулярной письменности в своих целях: например, пересаживаем в геном кишечной палочки E. coli  ДНК с кодом человеческого инсулина и получаем бактерий, которые производят проинсулин в промышленных масштабах. Потрясающе, правда? Но идею этих генетических технологий мы не придумали, а всего лишь "спёрли" у вирусов. Эти мелкие твари издревле размножаются путём читерских уловок: некоторые бессовестно встраивают кусочек своей ДНК в геном клетки-хозяина, и та начинает послушно производить запчасти для клонов вируса.

Так что, все живые клетки на планете «понимают» универсальную ДНК письменность. Небольшие отличия, правда, имеются в способе хранения данных: у бактерий текст пишется не в строчку, у которой есть начало и конец, а замыкается в колечко – получается не линейная, а кольцевая ДНК (хотя есть исключения). А также встречаются некоторые «диалекты» кодировки. Например, у некоторых инфузорий почему-то знак препинания стал обозначать слово. Но я забегаю вперёд.

АТГЦ и правила правописания

В биохимической письменности задействованы не 32 знака, как в нашем алфавите, а всего 4. И это не буквы, а органические молекулы - нуклеотиды. Вот схема одной из них:

Нормальная такая "буква"... Мы, человеки, чтобы каждый раз не малякать такого бегемота, придумали обозначать его по заглавной букве молекулы нуклеотида –  А,Т, Г,Ц (Аденин, Тимин, Гуанин и Цитозин). Получился простенький алфавит, которым мы и будем пользоваться. Что можно написать всего четырьмя буквами? Оказывается, много чего. Если вы не собираетесь сочинять литературные произведения, а будете использовать письменность в сугубо практических целях.

Едем дальше. В клеточной письменности «буквы» соединяются друг с другом в одну длинную-длинную строку. Получается примерно такая околесица: –А–Ц–Ц–А–Т–А–Г–Т–Ц–Ц–А–А–Г–Г–А– и т.д. Но на самом деле в это не околесица, а вполне осмысленный текст, в котором обычно каждые три буквы обозначают одно слово. Десятки и сотни трёхбуквенных слов объединяются в законченные предложения, которые даже отделены знаками препинания: начинается предложение всегда  с ТАЦ, заканчивается комбинациями АТТ, АТЦ, АЦТ.

Что же означают трёхбуквенные слова? Многие полагают, что в ДНК написано «У Васи будут карие глаза». Не совсем (вернее, совсем не). Каждое слово из трёх «букв» в молекулярной письменности обозначает определённую молекулу: одну из 20 стандартных аминокислот. Выходит, что молекулы кодируют другие молекулы? Ну… По сути - да. Не забывайте, что это письменность жителей микроскопического измерения и не возмущайтесь. Так вот. Если каждое слово – это аминокислота, то в законченном предложении зашифрован либо определённый белок, собранный из сотен (тысяч) разных аминокислот, либо короткий (до 50 аминокислот) полипептид. Такое законченное "предложение" и есть ГЕН.

(Не забывайте, что я сейчас сильно всё упрощаю. Есть в строке ДНК ещё участки эхансеры, сайленсеры, инсуляторы, а также не все участки кода несут какой-то смысл, иногда это пустышки или повторы - но мы в такие дебри залезать не будем.)

Главное для нас - ухватить суть. Ген - это "законченное предложение", состоящее из десятков, сотен или тысяч трёхбуквенных слов, которое кодирует строение какого-то белка.

Приехали. А хде про цвет глаз? Какие, нафиг, белки?

Молекулы и цвет глаз Василия.

Белки в клеточном мире – это основа основ. Из них сделано почти всё (кроме мембран): гормоны, ферменты, сигнальные молекулы и чувствительные рецепторы к ним, ионные насосы, детали клеточного скелета, сшивки между клетками. Куда ни ткни в клеточном мире – попадёшь в какой-то белок или полипептид. Разнообразие белков воистину огромно. Белок может быть строительным: коллаген, эластин. Транспортным – альбумин, гемоглобин. Информационным – гормоны, цитокины. Отдельные белки могут объединяться в сложные комплексы. И даже машинка по сбору белков на скопированной матрице - тоже собрана из белков 0_О

А ещё белки бывают шагающими:

Это моторные белки кинезины. "Шагают" по  микротрубочке (часть клеточного скелета), которая состоит из белков тубулинов. Тащат за собой транспортную везикулу - мембранный пузырёк с какими-то полезными ништяками.

А теперь давайте всё-таки проясним вопрос про цвет глаз Василия, который не даёт нам покоя. Пигмент меланин, который окрашивает радужку глаз и волосы – это не белок вовсе, а хромопротеид. Тогда при чём тут белки?

По порядку: цвет глаз и волос зависит от определённых клеток, которые производят красящие пигменты меланины. Клетки эти называются меланоциты. То, какой именно это будет пигмент – черно-коричневый или красновато-рыжий – зависит от ферментов, которые непосредственно участвуют в химической реакции образования этих пигментов. Ферменты это что? Белки. А насыщенность цвета зависит от количества производимого клетками пигмента - это уже влияние гормонов и в какой-то мере среды (УФ излучение) Гормоны – тоже белки. Всекаете? Белки решают, какой (и сколько) пигмент будут производить ваши меланоциты.

Не совсем то, что мы все ожидали... Мы же с детства думали, что за цвет глаз отвечает 1 ген (доминантный за карий и рецессивный за голубой), и что в нём всё конкретно написано: "карий" или "голубой". А оказывается, за цвет глаз отвечают около 6 генов, и ничего кроме строения белков в генах неть. Кстати, голубой цвет глаз – это и не пигмент вовсе, а его отсутствие. Это цвет стромы - сосудисто-волокнистой ткани радужки. Голубой цвет глаз говорит о том, что меланоциты данного субъекта - ленивые сволочи, и меланин практически не производят. Такие глаза больше всего подвержены разрушающему действию ультрафиолета. Но красиво, не спорю:) Всё остальные оттенки - это сочетание цвета стромы и двух типов пигментов. Оказывается, у Василия меланоциты - молодцы. Трудяги и защитники. Не то, что некоторые.

Страницы и катушки.

С важностью белков и почему именно они прописаны в генах, мы, кажется, разобрались… Фух. Но это ещё не всё. Мы рассмотрели всего одну строку письменности. А молекула ДНК состоит из двух: напротив одной строки всегда присобачивается вторая строка. И не произвольно, а по правилам: напротив А всегда становится Т, напротив Г – Ц. Зачем именно так, почему две строки, а не одна, как у всех нормальных людей? Ну, во-первых, так всё складывается по биохимическим правилам, а во-вторых, такая конструкция надёжнее – ведь если потеряется кусок одной строки, то можно восстановить содержание текста по второй. Просто, но гениально.

Теперь немного о неудобствах. Самая длинная молекула ДНК генома человека содержит около 250 млн букв. Самая короткая - около 50 миллионов, кажется. Даже учитывая, что молекула ДНК спиральная - это её не спасает. Она БЕСПОЩАДНО длинная. Судите сами: если сложить все ДНК человеческой клетки в длину, получится около двух метров. Вы клетку свою видели вообще? Её в микроскоп едва разглядишь. А что для неё 2 метра? Как для нас от Земли до Луны? Очевидно, читать такое невозможно. Потому  строки-ДНК особым образом сворачиваются в толстые книжные тома – хромосомы. Мы же тоже не пишем в одну строку: строчки размещаются на плоской поверхности друг за другом, текст делится на пронумерованные страницы. Ну и клетки не дураки: в молекулярной письменности строчки наматываются на специальные белковые катушки-гистоны. Потом множество гистонов компактно складываются в спиральку, а спиралька упаковывается в хромосому. Вот такая любопытная клеточная «книга» получается.

Увидеть хромосому в световой микроскоп удаётся лишь при делении клетки, когда она максимально уплотняется. В ином случае она настолько тонка, что свет просто ОГИБАЕТ её, не отражаясь… А теперь осознайте, какой массив данных в этой малюсенькой до неприличия штуке...

(Кстати, хромосомы обычно рисуют в виде двух палочек, соединённых в центре. Это не совсем верное изображение – так как таким образом выглядит уже удвоенная хромосома в метафазе – во время деления клетки. Одна хромосома выглядит одной кривой колбаской, не перепутайте!)

23 хромосомы–энциклопедии с информацией переходят нам в наследство от мамы и 23 таких же энциклопедии от папы; итого получается 46 томов данных в «башке» нашей клетки. У клетки дрозофилы (любимой мухи садистов-учёных),  стоит на полочке всего 4 пары томов. У бактерий обычно один томик-хромосома и несколько брошюрок-плазмид. Ей для успешной жизни и этого хватает.

На картинке - сборник книг клетки человека разумного:

Проблемы чтения и переписывания.

Чтобы «прочесть» какой-то конкретный ген-предложение из энциклопедии, он должен быть активным (вспоминаем эпигеном и его переключатели). Ещё придётся существенно «ослабить» намотку строчки на катушку – лишь тогда нужное "предложение" станет доступным для снятия копии. Двойная строка ДНК тоже в этом участке расплетается – ведь копия снимается с одной строчки кода, а не с двух. Хлопотное дело, как видите. Над этим работают... не смейтесь, конечно же белки. Целая бригада белков-ферментов, ага. А если поставлена цель не предложение прочесть, а скопировать и удвоить ВСЮ строку ДНК??? Все чёртовы двести пятьдесят миллионов буковок??? И «переписать» всё это добро желательно без ошибок в важных местах! Дело в том, что каждый белок, который нам напоминает бесформенную кучку помёта, на самом деле имеет строго определённую трёхмерную структуру. Если в текст, по которому его собрали, закрадётся ошибка – его форма нарушится. Белок от этого может сильно и не пострадать (если ошибка будет не в «несущей» конструкции) а может превратиться в бесполезную абракадабру, которая нифига не работает. А ещё ошибка может резко изменить свойства и функции белка. Как в слове «Передохнуть» всего лишь ударение полностью меняет его смысл.

Ошибки при копировании ДНК случаются довольно часто. Но не только при копировании: строчки информационных молекул может испортить радиация, ультрафиолет, некоторые химические вещества. Целые бригады рабочих молекул трудятся над выявлением и исправлением ошибок. Но иногда всё же ошибка ускользает от внимания, может передаться по наследству дочерней клетке и закрепиться, став мутацией. О стражах генома, о мутациях - в следующий раз.

Вопрос: интересно, какие типы ошибок могут произойти? Как портит ДНК радиация, ультрафиолет и компоненты смол табачного дыма, к примеру? Или это уже дебри?

Того, кто сегодня утомился от подробностей, поддержу словами Сенеки Старшего: "Лучше изучить лишнее, чем ничего не изучить." Спасибо за любознательность!