Весной 1953 года Фрэнсис Крик, Джеймс Уотсон и Морис Уилкинс расшифровали структуру молекулы ДНК. Нобелевская премия, которой их наградили за это, была более чем заслужена. И с каждым новым успехом генетики мы все больше убеждаемся в этом. Как сказал один из экспертов: «Естественный отбор все еще действует, но генная терапия уже стала реальностью». А 25 апреля – день, когда в 1953 году в журнале Nature вышли три статьи, посвящённых открытию молекулярной структуры ДНК, написанные упомянутыми учеными и некоторыми их коллегами – теперь отмечается международный День ДНК. Накануне этого праздника предлагаем вспомнить некоторые важные моменты в развитии генетики и генетических технологий после весны 1953 года.
Любопытный факт, когда статьи только вышли, Джеймс Уотсон прочитал лекцию об этом открытии в Колд-Спринг-Харбор – одном из ведущих научных центров в США (за время его существования там работало 9 Нобелевских лауреатов). После лекции физик Лео Сцилард поинтересовался – могут ли авторы запатентовать это достижение (в его семейном бюджете важную роль играли доходы с патента, полученного вместе с Эйнштейном). Но в тот момент и докладчику, и слушателям трудно было придумать, как применять знания о ДНК на практике (а патенты выдавались только на прикладные результаты). Интересно, как кардинально изменилась ситуация за прошедшее время.
А вот другой физик - эмигрировавший из сталинского СССР Георгий Гамов – сразу оценил перспективы работы с ДНК. Он предвидел эпоху, когда организм можно будет генетически описать очень длинным числом, в котором будут присутствовать лишь цифры 1, 2, 3 и 4, каждая из которых соответствует основанию А, Ц, Г или Т.
К 1959 году генетики описали то, что позже назвали «центральной догмой», согласно которой генетическая информация из ДНК реализуется в белки через РНК. Гамов на пару с Уотсоном основали «Клуб галстуков РНК», объединивший ученых, занимающихся дешифровкой взаимосвязи между последовательностью оснований ДНК и аминокислотными последовательностями белков. Клуб должен был состоять из двадцати членов, по числу аминокислот. И места в нем хватило всем желающим – это показывает, насколько был узок круг людей, желающих заниматься этой темой в конце 1950-х годов.
Один из членов клуба, Френсис Крик вскоре пришел к выводу, что структура РНК не откроет тайны превращения ДНК в белки и предложил другую гипотезу: аминокислоты могут доставляться к месту фактического синтеза белков так называемыми «адапторными молекулами», причем для каждой аминокислоты должна существовать «своя» молекула такого рода. Вскоре эта гипотеза получила подтверждение в результате открытия транспортной РНК.
А в 1960-е годы была открыта еще одна форма РНК – матричная, которая и оказалась шаблоном для сборки белков. В итоге сложилось такое понимание происходящего: матричная РНК подобна (функционально) перфокарте ЭВМ той поры. Она переносится из ядра в цитоплазму клетки, где она связывается с рибосомами, настоящими молекулярными «машинами» для синтеза белка. Белок синтезируется из активированных аминокислот, присоединенных к особым транспортным РНК, причем каждая из аминокислот присоединена к своей специфической транспортной РНК.
В 1961 году Крик и Сидней Бреннер экспериментально доказали, что в основе генетического кода лежат триплеты. Уотсон вспоминал:
«В компании со мной Крик впервые познал секрет жизни, свернутый в двойную спираль; теперь он одним из первых узнал, что этот секрет записан словами из трех букв».
Ученые продвигались вперед, но «взломать» код ДНК пока не получалось. Следующий шаг был сделан американским биохимиком Маршаллом Ниренбергом. И еще один любопытный штрих – первый намек на решение он озвучил на Международном биохимическом конгрессе, состоявшемся в Москве в 1961 году (любопытен этот момент тем, что в СССР тогда еще господствовала лысенковская доктрина и генетика не избавилась от официального ярлыка «лженауки»).
Вместе с коллегами из Национального института здравоохранения США, он решил выяснить будет ли РНК, синтезированная in vitro, функционировать точно так же, как и естественная матричная форма при синтезе белков во внеклеточных системах. Результат был поразителен: рибосомы стали синтезировать простые белки, молекула которых представляла собой цепочку, состоящую из единственной аминокислоты – фенилаланина. Выступая перед делегатами конгресса в Москве, молодой биохимик, чье изучение генетики ограничивалось к тому времени вечерними курсами, организованными для сотрудников института, на примере своей работе рассказал, что нужно сделать, чтобы полностью расшифровать генетический код. И всего через пять лет удалось выяснить значения всех шестидесяти четырех кодонов (иными словами, выстроить весь генетический код). Спустя еще два года результат Ниренберга был отмечен Нобелевской премией.
К тому времени число исследователей, включившихся в процесс изучения информации, содержащейся в ДНК, намного превысило количество потенциальных вакансий «Клуба галстуков РНК». Некоторые его члены были намерены двигаться дальше: Маршалл Ниренберг переключился на исследования мозга, а Сидней Бреннер сконцентрировался на изучении червя-нематоды, считая, что именно столь простой организм лучше всего подходит для опытов, которые позволят ученым прояснить взаимосвязи между генами и механизмами развития. В 2002 году за свои исследования нематоды он попал в члены другого неофициального клуба – Нобелевских лауреатов. Но большинство ученых, стоявших у истоков работы с ДНК по-прежнему пытались выявить базовые механизмы работы генов.
И в этой работе они подошли к вопросу переключения генов: клетки организма имеют одну и ту же ДНК, но сами по себе заметно отличаются друг от друга. Значит, в них синтезируются разные наборы белков, но как это происходит?
Первые важные результаты на этом направлении были получены в 1960-е годы Франсуа Жакобом и Жаком Моно из Институте Пастера в Париже. Работали они с бактерией Escherichia coli - кишечной палочкой (на которой ранее Ниренберг показал, как можно расшифровать код ДНК). А именно, изучали, как она расщепляет молочный сахар – лактозу. После ряда экспериментов, они выяснили, что само попадание лактозы в среду обитания бактерии включает работу определенных генов, запускающих синтез ферментов, разлагающих лактозу до более простых соединений. После удаления лактозы из среды синтез этих ферментов прекращается. Как выяснилось позже, в любых организмах действуют одни и те же принципы, просто у высших организмов регуляция генов проходит более сложными путями. Так в генетику вошло понятие «молекула-репрессор» и выяснилось, что белок может взаимодействовать с ДНК, минуя РНК. Картина процессов, происходящих внутри клетки становилась все полнее.
Как это часто бывает в науке, новые результаты повлекли и новые вопросы. В этом случае – а почему вообще передача информации из ДНК должна опосредоваться молекулой РНК, а лишь потом возможна ее трансляция в последовательность полипептидов? Ответ предложил уже известный нам Френсис Крик, выдвинув версию, что РНК была первой генетической молекулой и в какой-то период вся жизнь была основана на РНК. ДНК Крик считал «более поздней эволюционной разработкой», которая могла возникнуть из-за относительной нестабильности молекул РНК: они деградируют и мутируют гораздо легче, чем молекулы ДНК.
Какое-то время идея Крика оставалась незамеченной научным сообществом. Пока уже в 1990-х годах Гарри Ноллер не продемонстрировал, что формирование пептидных связей, обеспечивающих сочленение белков из аминокислот, катализируется РНК. Это открытие позволило решить проблему «курицы и яйца». Молекула ДНК не может собираться сама собой, для этого ей нужны белки. Но что возникло раньше? Белки, не обладающие механизмом копирования информации, или ДНК, которая может копировать информацию, но лишь в присутствии белков? Проблема казалась неразрешимой, пока в эту задачу не включили РНК как предшественницу ДНК.
Снова процитируем Уотсона: «РНК – это курица и яйцо одновременно: она эквивалентна ДНК (также может хранить и воспроизводить генетическую информацию), и эквивалентна белкам (может катализировать критически важные химические реакции)».
Подводя итог, отметим, что на протяжении двух десятилетий (1950 – 1960-х годов) ученые смогли получить впечатляющие результаты в области молекулярной биологии. Стали понятны базовые механизмы, лежащие в основе жизни и механизмы регуляции генов. Теперь они были готовы сделать следующий шаг, перейти от изучения работы ДНК к манипуляциям с ней, что открывало широкие перспективы, в том числе, и для прикладных результатов.
Сергей Исаев
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии