Волновой генетический КОДудк

Процитируем высказывание из книги Альбертса, Уотсона и  др. “Молекулярная биология клетки” [20] (глава с характерным названием  “Геном митохондрий имеет ряд  поразительных особенностей”): “...в  митохондриях обычные правила спаривания кодонов с антикодонами соблюдаются менее строго, и многие молекулы тРНК способны узнавать любой из четырех нуклеотидов в третьей (неоднозначной) позиции”. Вот эта “меньшая строгость”, как будто бы несовместимая с реально существующим метаболическим контролем порядка чередования амино-кислот в белках, заслуживает пристального внимания. “Меньшая строгость” не случайна, более того, она для чего-то нужна биосистемам. 

Точность белкового  синтеза эволюционно консервативна  и высока, но может ли она достигаться  такого рода “тайнописью”, когда “знак” (кодон) и “обозначаемое” (аминокислота) не всегда изоморфны, не однозначны? Если придерживаться старой догмы генетического кода, логично думать, что две разные аминокислоты, шифруемые двумя одинаковыми (третий не важен) нуклеотидами кодонов иРНК, будут с равной вероятностью включаться в пептидную цепь, т.е. случайно. И таких парных неоднозначностей даже в немитохондриальном коде насчитывается шесть, если не считать еще две по стоповым кодонам (они же “нонсенс” или бессмысленные). Так что же, существует “индульгенция разрешения” частых и случайных замен аминокислот при синтезе белков? Однако, известно, что такие случайные замены в большинстве случаев имеют самые отрицательные последствия для организма (серповидная анемия, талассемии и т.д.). Налицо явное противоречие: нужна точность (однозначность) отношений “знак-обозначаемое” (кодон-аминокислота), а придуманный людьми код ее не обеспечивает. 

Поэтому существующее и общепринятое представление о  ключевых (знаковых) механизмах синтеза белков нуждается в дополнительном анализе. В связи с этим более подробно рассмотрим предложенные в 60-х годах принципы генетического кодирования. Как оценили перечисленные и очевидные странности ведущие авторы теории и экспериментов в этой области - Ф.Крик, М.Ниренберг и их последователи? Основной узел противоречий - неоднозначные соответствия (кодон-аминокислота) приведены в таблице: 

НЕОДНОЗНАЧНЫЕ СООТВЕТСТВИЯ И СИНОНИМО-ОМОНИМИЧЕСКАЯ  ДВУМЕРНОСТЬ ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА 

Омонимичность  

Видно, что пары разных аминокислот шифруются одинаковыми  значимыми дублетами кодоновых  нуклеотидов (“воблирующие” мало значимые, по Крику [4], и вообще нечитаемые, по Лагерквисту [11], нуклеотиды смещены  в индекс). В терминах лингвистики  это явление носит название омонимия, когда одни и те же слова имеют разный смысл (например, русские слова “лук”, “коса” или английские “box”, “ring” и т.п.). С другой стороны, избыточные различающиеся кодоны, обозна-чающие одни и те же аминокислоты, уже давно рассматривают как синонимичные. 

В отношении  омонимии генетического кода высказывания в литературе нам не известны. Таким  образом, если считать дуплетно-триплетные кодоны “словами”, то сам код является, кроме прочего, двумерным, то есть омонимо-синонимичным. По этим измерениям код распадается, как это видно из таблицы, в основном, на парные семейства, избыточно, но не однозначно, шифрующие разные аминокислоты. И только в двух случаях из шести омонимичные дублеты обозначают близкие по структуре и функции аминокислоты (аспарагиновая-глутаминовая и аспарагин-лизин). Следовательно, при неоднозначном (ошибочном) выборе аминокислот высока вероятность синтеза аномальных белков, если следовать логике общепринятой модели кода. Большинство этих сомнений и наметок на будущее в мягкой форме уже прозвучало в обобщающей статье Ф.Крика и М.Ниренберга “Генетический код”. Процитируем авторов дословно ввиду стратегической важности обсуждаемых принципов генетического кодирования:  

с.133: “белок ... является как бы длинным предложением, записанным с помощью двадцати букв”. Вот одно из первых и плодотворных сравнений белков, а затем и ДНК, с текстами естественных языков, сравнений, повсеместно принятых на первых порах лишь как метафора, а затем развитых и формализованных нами в качестве квази-речевых образований [14,25,26,29]. В этой замечательной аналогии зачаток будущего выхода из плоского и тупикового понимания природы генов, предтеча понятия образных кодов (слово как образ), а это согласуется с идеями Гурвича, Любищева и Беклемишева, которые также видели в хромосомах потенциальные волновые образные и даже эстетические структуры в качестве организующих биосистему начал. А.А.Любищев еще в 1925 году высказал предположение, что гены образуют не мозаику, а гармоническое единство, подобное хору [47]. Вслед за ним в 1928г. В.Н.Беклемишев [21] развил это, хотя и афористично, однако, с огромным предвидением, на десятилетия опередившим аналогию Крика и Ниренберга о белках как “предложениях”. Эмбриогенез он сравнил одновременно с музыкой и речью, в которых как и в дифференцирующихся тканях существуют “анатомические” свойства - признаки стадий: высота, интенсивность звука, обертоны и пр., и онтогенетические “эмбриологические” свойства - признаки хода процесса: ритм, мелодия и пр. Изменения в развивающемся теле накапливаются, а изменения в потоке музыки сменяются бесследно. Но истинным субъектом развития в музыке является эстетическое впечатление; оно растет и развивается под влиянием процесса звучания. Это морфопроцесс сложного духовного организма. Придя к этому, В.Н.Беклемишев спрашивает: что является аналогом этого последнего в животных и растительных организмах? Не поток ли формативных раздражений, регулируемый индивидуальностью целого и направляющий морфогенез частей? 

Продолжим анализ основополагающей работы Крика и Ниренберга, постулирующей понятие генетического кода. 

С.142 -143: “ ... до сих  пор все опытные данные хорошо согласовывались с общим предположением о том, что информация считывается  тройками оснований, начиная с одного конца гена. Однако, мы получили бы те же результаты, если бы информация считывалась группами в четыре или даже более оснований” или “...группами, содержащими кратное трем число оснований”. Это положение почти забыто или не понято, но именно здесь видно сомнение, обязательно ли код триплетный. И не менее важно, что предугадано будущее понимание текстов ДНК и РНК как смысловых фрактальных образований, родственных естественным языкам, что продемонстрировано в наших исследованиях [25,26,29]. 

С.153: “ ... одна аминокислота шифруется несколькими кодонами. Такой код называется вырожденным ... такого рода вырождение не говорит о какой-то неопределенности в построении молекулы белка ... оно лишь обозначает, что определенная аминокислота может быть направлена в соответствующее место цепи молекулы белка с помощью нескольких кодовых слов”. 

Авторы видят, что синонимия еще не нарушает однозначности кода. 

С.153 -154: Но дальше следует “...однако, все же имеется  одна реальная возможность появления  неопределенности при синтезе белка. Эта неопределенность могла бы возникнуть, если бы одно кодовое слово соответствовало нескольким аминокислотам. До настоящего времени был отмечен только один случай такой неопределенности. Белок, син-тезируемый поли-U, состоит не только из лейцина, но и из фенилаланина, причем на каждую молекулу лейцина приходится 20-30 молекул фенилаланина. При отсутствии в растворе фенилаланина поли-U использует лейцин в количестве, равном половине обычно используемого количества фенилаланина. Молекулярное объяснение этой неопределенности неизвестно”. Это первая и четкая констатация логического несовершенства предлагаемой модели кодирования, ее противоречия фактам. Затем, сомнения еще более усиливаются. 

С.155: “некоторые кодовые слова почти наверняка  состоят из трех оснований. Однако, 18 из 20 аминокислот могут быть закодированы словами, содержащими только два различных основания. Если же код все-таки троичный, то возможно, что в некоторых случаях правильное кодирование будет иметь место при условии, что из трех оснований считывается только два. Возможно, что такое несовершенство случается более часто в синтетических РНК-полимерах, содержащих одно или два основания, чем в естественных РНК-посредниках, которые всегда состоят из смеси всех четырех оснований. Поэтому результаты, полученные с помощью искусственных РНК, свидетельствуют лишь о кодовых возможностях клетки...” 

Явно просматривается  неуверенность, что код только триплетный, он может быть и дуплетным, и тетраплетным и даже гетеромуль-типлетным. Нам  же представляется, в развитии этих сомнений, что кодовые возможности клетки, хромосом, ДНК не исчерпываются знаковыми тройками нуклеотидов. Как речеподобные структуры, нуклеиновые кислоты в составе хроматина способны к образованию in vivo метаязыков методом фрактализации, и поэтому кодирование белкового континуума может проходить через крупные блоки, шифрующие не только порядок включения отдельных аминокислот в пептид, но и последовательность создания белковых доменов, субъединиц и даже структурно-функциональных ансамблей ферментов, например, дыхательной цепи. Фрактальность в данном случае может пониматься и так: ДНК, РНК и белки - это разноязыкие тексты и то, что было в одном масштабе “фразой” или “предложением” в другом, более крупном, будет “словом”. Если еще укрупнять - “слово” превращается в “букву”. При более общем подходе можно рассматривать такие разномасштабные смысловые построения как знаки (иероглифы), являющиеся субстратом своего рода “информационного метаболизма” клеток. Такой путь образования метаязыков свойствен математике. У нас нет оснований думать, что геном не пользуется этим “математическим приемом” в полной мере, строя все новые усложняющиеся семиотико-семантические ареалы с их постоянными переобозначениями на разных уровнях организации биосистемы в процессе ее развития. При этом роль основной массы синтезирующихся в организме белков заключается в реализации метаболических конструкций, неявно закодированных в ДНК и имеющих квази-вербальную составляющую. Биосистему можно рассматривать как совокупность таких конструкций, и это находит определенное подтверждение в работах [25,26,29]. Такой ход рассуждений хорошо соответствует представлениям В.В.Налимова, считающего все живое частью Семантической Вселенной [49]. Человек, в соответствии с такой логикой, есть многообразие текстов, грамматику и семантику которых мы хотим охватить единым, вероятностно задаваемым взглядом. В.В.Налимов полагает, что личность является самочитаемым текстом - текстом, способным самоизменять себя. Уменьшая масштаб рассмотрения человека как самоорганизующейся системы и учитывая фрактальность (переходящую иногда в голографичность) его хромосомного континуума, можно считать, что обратное отображение человека в его собственный геном, как и отображения любого организма в его хромосомы, носит изоморфный текстово-образный характер [25,29]. Предлагаемый способ рассуждений призван показать прием логического выхода из ограничений первичной модели генетического кода, остановившейся в фазе слабого понимания правил орфографии "записи" белковых “слов” из аминокислотных "букв". Если же рассматривать идею фрактальности смысловых (текстовых) конструкций генома и принять их божественное начало, то подчеркнем, что эта идея восходит к VI в. и предложена Дионисием Ареопагитом в его труде “О божественных именах”. Он говорит, что печать Божественности (читай слова) лежит на каждом из нас, и “...оттиски Печати имеют много общего с ее оригиналом: оригинал присутствует в каждом из отпечатков весь, и ни в одном из них - лишь какой-то своей частью”. Частичность Печати определяется свойствами воспринимающего материала - конкретной личности, т.е. потенциально в каждого привносится все, идущее свыше, но расслышать, увидеть и понять это все целиком не под силу никому.  

Неспособность ранней концепции генетического  кода быть непротиворечивой, казалось, должна была побудить к поиску новых идей. Вместо этого предпочтение было отдано анализу механизмов точности белкового синтеза, но без главного мотива этой точности - механизмов выбора однозначностей из кодирующих дуплетов-омонимов. Вот образец этих, в данном аспекте бесполезных, описаний и рассуждений, но необходимых нам для иллюстрации псевдологики в оценке главного в генокоде [20]: “ ... точность белкового синтеза зависит от надежности двух адапторных механизмов: от связывания каждой аминокислоты с соответствующей молекулой тРНК и от спаривания кодонов в иРНК с антикодонами тРНК. Два механизма, действующие на этих этапах, совершенно различны. У многих аминоацил-тРНК-синтетаз имеется два отдельных активных центра: один ответственный за реакцию присоединения аминокислоты к тРНК, и другой, распознающий “неправильную” аминокислоту и удаляющий ее путем гидролиза. Точность спаривания кодона с антикодоном обеспечивается более тонким механизмом “кинетической коррекции”. После того как молекулы тРНК присоединят соответствующую аминокислоту, они образуют комплекс с особым белком, т.н. фактором элонгации (ФЭ,EF), который прочно связывается с аминоацильным концом молекулы тРНК и с молекулой GTP. Именно этот комплекс, а не свободная тРНК спаривается с надлежащим кодоном в молекуле иРНК. Связанный таким образом ФЭ обеспечивает возможность правильного спаривания антикодона с кодоном, но при этом препятствует включению данной аминокислоты в растущий пептид. Начальное узнавание кодона служит для ФЭ сигналом к гидролизу связанного с ним GTP до GDP+P, после чего ФЭ отделяется от рибосомы без тРНК и синтез белка продолжается. Благодаря ФЭ возникает короткий разрыв во времени между спариванием кодона с антикодоном и элонгацией пептида, что позволяет тРНК отделиться от рибосомы. “Неправильная” молекула тРНК образует в паре кодон - антикодон меньше водородных связей, чем правильная; поэтому она слабее удерживается на рибосоме и значит за данный промежуток времени имеет больше шансов отделиться”.  

Комментируя эту, важную для нас, длинную выдержку, можно сказать, что акцент в ней сделан на взаимном узнавании тРНК и аминокислот через посредство аминоацил-тРНК-синтетаз. Механизм его не ясен. Что касается точности узнавания кодоном антикодона, то она иллюзорна в силу “воблирования” третьего нуклеотида, что уже обсуждалось. Представляется, что выбор из дуплетных кодонов-омонимов реализуется по резонансно-волновым и контекстным (ассоциативным, голографическим) и так называемым "фоновым механизмам" (см. ниже). До сих пор они находились вне экспериментов и рассуждений, но в настоящее время необходимость в этом очевидна. Омонимичность (неоднозначность) кода может быть преодолена точно так же, как это происходит в естественных языках ,- путем помещения омонима, как части, в целое, т.е. в законченную фразу, контекст которой дешифрует омоним и присваивает ему единственное значение, создавая однозначность. Поэтому иРНК в качестве своего рода “фразы” или “предложения” должна работать в белковом синтезе как функциональное кодирующее целое, задающее последовательность аминокислот на уровне ассоциатов аминоацилированных тРНК, которые комплементарно взаимодействуют со всей молекулой иРНК. При этом роль А,Р-участков рибосомы, если они реальны, заключается в акцепции таких ассоциатов - предшественников белка с последующей энзиматической сшивкой аминокислот в пептидную цепь. В этом случае будет происходить контекстно-ориентированный однозначный подбор бывших омонимичных дуплет-кодонов. Можно предсказать в связи с этим, что взаимодействие аминоацилированных-тРНК с иРНК носит коллективный фазовый характер по типу реассоциации (“отжига”) однотяжных ДНК при понижении температуры после “плавления” нативного полинуклеотида. Существуют ли экспериментальные данные, которые можно было бы трактовать в таком духе? Их немало и они сведены в обзорно-аналитическом исследовании [52]. Приведем некоторые из них.