Книга: Путешествие в страну микробов

Жакоб и Моно обдумывают генетический код

Жакоб и Моно обдумывают генетический код

Итак, по мнению Крика и его коллег, ДНК можно считать химическим носителем наследственности, иначе говоря, ДНК — это определяющая составная часть генов. Бидл и Тейтем уже давно сформулировали положение «один ген — один фермент», согласно которому гены определяют синтез и состав ферментов. Если ДНК действительно является генетической молекулой, она должна определять и строение того или иного фермента. Эту определяющую роль ДНК по Уотсону и Крику можно объяснить порядком распределения нуклеотидов в ее молекуле, то есть последовательностью, в которой чередуются в цепях ДНК четыре возможных нуклеотида. Но поскольку ферменты в химическом отношении являются молекулами белков, а структурными элементами последних — аминокислоты, то порядок расположения аминокислот в молекуле белка (а значит, и ферментов) будет определяться расположением нуклеотидов в молекуле ДНК, точнее — расположением нуклеотидов в цепях молекулы ДНК.

Допустим, что так оно в действительности и есть. Тогда возникает вопрос: как же все это происходит? Каким образом тройки нуклеотидов в ДНК определяют синтез белков, в том числе и ферментов?

1961 год войдет в историю не только как год начала космической эры. Он был отмечен также событием, которое приблизило нас к решению важнейшего биологического вопроса — о механизме синтеза белка. В 1961 году сотрудники Пастеровского института Ф. Жакоб и Ж. Моно опубликовали статью, в которой они попытались объяснить интересующее нас явление. Эти ученые, получившие спустя четыре года Нобелевскую премию по медицине и физиологии, предложили гипотезу, согласно которой ДНК управляет синтезом белков не непосредственно. Роль посредника выполняет особая молекула РНК, структура которой представляет собой как бы отпечаток структуры ДНК. Эта особая молекула РНК образуется при раскручивании двойной спирали молекулы ДНК так, что на развернутой цепи ДНК возникает цепь РНК с таким расположением нуклеотидов, которое соответствует расположению последних в цепи ДНК. Обозначим нуклеотиды заглавными буквами названий их органических оснований. На раскрученной спирали ДНК с нижеприведенным порядком нуклеотидов должна возникнуть цепь РНК с соответствующим «парным» и дополняющим расположением нуклеотидов, а именно цепи ДНК

(А — Г — Т) — (Т — Ц — А) — (Т — Т — Т) — (Г — А — А)

отвечает цепь РНК

(У — Ц — А) — (А — Г — У) — (А — А — А) — (Ц — У — У)

После своего образования цепь РНК отделяется от цепи ДНК и перемещается в то место клетки, где происходит синтез ферментов. РНК в приведенной нами схеме содержит четыре тройки нуклеотидов и, если исходить из гипотезы Жакоба и Моно, определяет порядок четырех аминокислот в будущей молекуле белка. Макромолекула белка требует значительно более ёмкой информации, заключенной в молекуле РНК, которая должна содержать столько троек нуклеотидов, сколько молекул аминокислот должно присоединиться к макромолекуле белка.

Поскольку генетическая информация химически «переписывается» с ДНК на молекулу РНК, которая понесет далее «послание», или информацию о синтезе молекулы белка, мы назовем эту РНК, переносчика информации, информационной РНК, или иРНК[22].

Естественно, что подобное представление, будучи лишь гипотетическим, требовало экспериментального подтверждения. Проверка его началась в США в том же 1961 году. Американский биохимик М. Ниренберг из Линговского национального института сердца поставил смелый эксперимент. Специальными методами он разрушил клетки бактерий Escherichia coli и получил бесклеточную массу, способную синтезировать белки. Затем заменил предполагаемую Жакобом и Моно иРНК искусственной, которая на языке химиков называлась полиуридиловой кислотой (сокращенно поли-У) и содержала вместо четырех типов нуклеотидов, обычных для природной иРНК (А, У, Ц, Г), только один — уридиловую кислоту (У). Поли-У образует цепь РНК в таком виде:… У — У — У — У — У — У —… Внесение поли-У в бесклеточную массу не дало каких-либо существенных результатов: из 20 различных аминокислот в состав белков включились молекулы одной-единственной аминокислоты — фенилаланина. Из этой единственной аминокислоты образовались только макромолекулы белков, или поли-фенилаланинов. В соответствии с «нуклеотидными тройками» (триплетами) и поли-У образует цепь триплетов У — У — У, являющихся «кодоном» для включения молекул фенилаланина в белки.

Вскоре после проведения этих исследований из лаборатории Ниренберга поступили новые сообщения: для образования фенилаланина необходима еще одна клеточная РНК, которая должна будет переносить иРНК. Для каждой аминокислоты клетка должна иметь особый тип такой транспортной РНК (тРНК).

Еще в 1957 году Р. Холли из Корнельского университета, опубликовал сообщение о существовании тРНК. К 1961 году уже стало известно, что в клетках существуют различные типы тРНК, которые в присутствии соответствующих ферментов соединяются с определенными аминокислотами. Предполагали, что в виде такого промежуточного соединения с тРНК аминокислоты перемещаются к месту синтеза белков. В 1965 году Холли опубликовал результаты своих многолетних исследований: установил расположение нуклеотидов в молекуле тРНК, специализировавшейся на переносе аланина.

Но где же в клетке происходит синтез белков? Мы познакомились с тремя элементами, необходимыми для «производства» белковых молекул: аминокислоты, иРНК, тРНК. Сам же процесс сборки макромолекул белка протекает в особых цитоплазматических образованиях, называемых рибосомами.

В упрощенном виде синтез белковой молекулы можно представить следующим образом. К длинной цепи иРНК подходят рибосомы (видимые лишь в электронный микроскоп). К этому комплексу присоединяются частицы тРНК, связанные с молекулами аминокислот. Триплетам нуклеотидов в цепочке иРНК (так называемым кодонам) соответствуют дополняющие триплеты нуклеотидов на каждой молекуле тРНК (антикодоны). Расположение кодонов в цепочке иРНК определяет, в каком именно порядке присоединятся к ним антикодоны РНК. Это означает, что аминокислоты, отвечающие специфическим тРНК, перемещаются к рибосомам в определенном порядке. В точно таком же порядке будут присоединяться к зарождающейся макромолекуле и белки. Весь этот сложный процесс поможет нам понять приведенная ниже схема. Но прежде мы должны представить читателю одного ученого, деятельность которого будет иметь в нашем рассказе немаловажное значение.

Речь идет о X. Коране, индийском исследователе, проживающем в США. Вместе со своими сотрудниками из Висконсинского университета Корана попытался решить две задачи: во-первых, синтезировать по образцу иРНК искусственные полимеры, которые содержали бы соответствующие кодоны для отдельных аминокислот; во-вторых, синтезировать искусственные полимеры по образцу ДНК с таким расположением нуклеотидов, которое отвечало бы соответствующим кодонам в иРНК, и проверить их активность.

Первая задача была нелегкой. Группе Кораны предстояло получить все 64 возможных типа кодонов, необходимых для проверки «кодирования» порядка 20 аминокислот белков. Однако им удалось все же найти решение. Данные о кодонах они получили иным путем, отличным от того, каким шла группа Ниренберга, и дополнили их недостающими данными для остальных аминокислот.

Вторая задача оказалась еще труднее. Если в первой исследователи стремились получить синтетические полирибонуклеотиды, то во второй им необходимо было попытаться синтезировать полидезоксирибонуклеотиды. Эти «искусственные молекулы ДНК» они должны были использовать затем в управляемом синтезе «искусственных молекул РНК» с соответствующими кодонами. Ценную помощь им оказал в этом деле фермент, открытый в лаборатории профессора Очоа. Старания Кораны и его коллег увенчались успехом.

Ниренберг — Холли — Корана, этот биохимико-генетический «триплет» ученых, экспериментально подтвердили правильность представлений Уотсона и Крика о триплетах нуклеотидов в ДНК. Они подтвердили и гипотезу Жакоба и Моно об управляемом синтезе информационных РНК, выяснили роль транспортных РНК и их антикодонов при определении положения аминокислот в возникающих на рибосомах белковых молекулах. И не удивительно, что в декабре 1968 года все трое — Ниренберг, Холли и Корана — за эту свою работу получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Как уже было сказано, Корана успешно решил и вторую из поставленных задач. В июне 1970 года на встрече биохимиков и молекулярных биологов в его родном университете на вопрос, чем ученый занят сейчас, после получения Нобелевской премии, Корана ответил, что ему наконец удалось получить ген в пробирке! Его лаборатория занималась синтезом гена целых пять лет.

Мы знаем, что другой нобелевский лауреат, Холли, раскрыл тайну расположения нуклеотидов в транспортной РНК, служащей для переноса аланина. На основании данных о расположении нуклеотидов в тРНК Корана набросал на бумаге схему структуры гена (или ДНК), который «отвечает» за синтез данной тРНК. Этот набросок позволил ему через пять лет получить первый «синтетический» ген: он состоял из 77 пар нуклеотидов, расположенных в такой последовательности, при которой ДНК определяет синтез аланиновой тРНК.

После этого группа Кораны приступила к экспериментам по «размножению» молекул синтезированного гена при помощи ферментов Корнберга, вызывающих редупликацию молекул ДНК, о которой мы уже говорили; надо было испытать активную способность «гена в пробирке», который должен управлять синтезом аланиновой тРНК. А за этим последовали опыты, имеющие целью подтвердить биологическую активность «синтетического» гена и в живой клетке. Ведь существовать ему предстояло именно в ней! Пятилетняя напряженная работа группы Кораны в конце концов успешно увенчалась синтезом некоего вещества, которое в природе, в живых клетках, несомненно, существует.

Но вернемся к нашей схеме. Она дает упрощенное представление о том, какое расположение трех триплетов нуклеотидов в молекуле ДНК определяет окончательный порядок трех аминокислот в образующейся на рибосомах молекуле белка.

Триплеты в молекуле ДНК:

… — (А — А — А) — (Г — А — Г) — (Т — Т — Т) —…

Дополняющие кодоны в молекуле иРНК:

… — (У — У — У) — (Ц — У — Ц) — (А — А — А) —…

Антикодоны в трех молекулах тРНК:

(А — А — А) (Г — А — Г) (У — У — У).

Расположение трех аминокислот во фрагменте молекулы белка:

… — Фен — Лей — Лиз —…

Приведенные триплеты молекулы ДНК можно считать частью «генетической информации», заложенной в гене, управляющем синтезом определенного белка. В макромолекуле этого белка на соответствующем месте будет находиться тройка аминокислот: фенилаланин — лейцин — лизин.

Согласно изложенному представлению, в клетке существует, таким образом, следующая иерархия макромолекул:

ДНК ? РНК ? Белок.

В 1970 году стали появляться сообщения о том, что при некоторых обстоятельствах, например при инфицировании клетки вирусами, имеющими в своем составе РНК, а не ДНК, генетический код для синтеза белков «записан» в молекуле РНК. Эти вирусные РНК в клетке-хозяине «самовоспроизводятся» и управляют синтезом ДНК, необходимой для образования вирусных белков. Таким образом, мы столкнулись с тем, что генетическая информация может быть перенесена от РНК к ДНК.

В других случаях оказался возможным и прямой перенос генетической информации с ДНК на белок без посредничества РНК.

Все эти сведения вызвали широкую полемику в ученых кругах. Обсуждался вопрос — остается ли в силе центральная догма молекулярной биологии[23]. Итог дискуссии подвел один из «отцов» этой догмы, Ф. Крик, который охарактеризовал уровень современных знаний в данной области следующим образом.

Существуют общие и специальные переносы генетической информации. Общие переносы можно сформулировать в такой последовательности:

ДНК ? ДНК

ДНК ? РНК

РНК ? Белок

Специальные переносы информации, совершающиеся лишь в особых случаях, могут выглядеть и так:

РНК ? РНК

РНК ? ДНК

ДНК ? Белок

Все это хорошо видно на рисунке ниже, где общие переносы и их направление показаны сплошной линией, а специальные — штриховой.

Но открытия 1970 года на этом не закончились. Самые волнующие события этого года связаны с изучением и поиском онкогенных вирусов — вирусов, вызывающих некоторые формы опухолей.

Перенос генетической информации. Сплошные стрелки — общий перенос; штриховые — специфический.

На Международном онкологическом конгрессе в мае 1970 года в Хьюстоне доктор X. Темин из Висконсинского университета сообщил об открытии фермента, способного синтезировать ДНК в присутствии РНК. И этот фермент и РНК находятся в вирусе Рауса, известном уже в течение нескольких десятилетий как возбудитель саркомы. Открытие Темина в скором времени подтвердил его соотечественник Д. Балтимор. Другой американский ученый, С. Спигелмен, сообщил в конце июня 1970 года, что тот же фермент обнаружен им в семи различных онкогенных вирусах. Летом того же года на Международном конгрессе микробиологов в Мексике Спигелмен сообщает о новом неожиданном факте. Оказывается, онкогенные вирусы содержат еще один фермент — «полимеразу ДНК», связанную с ДНК и ранее известную как «полимераза ДНК Корнберга».

Но эстафету снова перехватывает Темин, открывший третий фермент в вирусе саркомы Рауса: эндонуклеазу, «рассекающую» длинную двойную спираль ДНК на короткие отрезки. Возможно, есть и четвертый фермент — лигаза, осуществляющая соединение этих фрагментов снова в длинную макромолекулу ДНК»

В ноябре 1970 года в Париже на Международном коллоквиуме, который проводился фирмой, занимающейся производством антибиотиков, американский ученый X. Ханафуза сообщил общественности, что обе полимеразы вируса Рауса играют важную роль в превращении здоровых клеток в опухолевые. Другие участники коллоквиума сообщили, что из белых кровяных телец людей, пораженных белокровием, была выделена полимераза ДНК, связанная с РНК. Таким образом, фермент, присутствующий в онкогенных вирусах, был найден и в белых кровяных тельцах больных лейкозом. Спигелмен сообщил, что этот фермент был им обнаружен в девяти случаях лейкоза и ни разу не был найден в нормальных здоровых лейкоцитах. Это означало, что обнаружение фермента в белых кровяных тельцах могло бы служить ранним диагностическим признаком лейкоза.

Р. Галло из Национального онкологического института в Бетесде (США) получил тот же фермент из лимфоцитов трех пациентов, страдающих лимфоцитарным лейкозом. Исследовав действие некоторых соединений на этот фермент, он установил, что антибиотик рифампицин снижает активность фермента (в лабораторных условиях, в пробирке) на 50 %. А один из производных рифампицина — диметилрифампицин — полностью «блокирует» действие фермента.

Конечно, еще рано праздновать победу над лейкозом. Но одно несомненно: успехи молекулярной биологии в этом направлении могут привести к важным практическим результатам.

Та форма «состязания», которая наблюдается сейчас в среде ученых, должна была бы, как нам кажется, превратиться в сотрудничество. Прав Спигелмен, который сказал, что следовало бы больше думать о защите страдающих от белокровия детей, чем о времяпрепровождении ученых в Стокгольме после получения ими Нобелевской премии.

Таково было в общих чертах положение дел к концу 1970 года. Но наука не стоит на месте. В конце января 1971 года в Лондоне состоялся симпозиум, регулярно созываемый Международной организацией ЦИБА. На симпозиуме опять выступил Спигелмен и опять с неожиданными сообщениями.

Он доложил о результатах исследований нескольких сотен образцов клеток из различных форм раковых образований у человека; в каждом из них присутствовала полимераза ДНК, связанная с РНК. В здоровых клетках взрослых людей фермент не был найден ни в одном случае. Работы Спигелмена и его коллег доказал и, что при помощи фермента можно не только диагностировать лейкоз, но и следить за процессом лечения и выздоровления.

Второе сообщение имело еще более важное значение. Спигелмен получил этот фермент в чистом виде из РНК онкогенных вирусов, ему удалось также получить фермент и из клеток больных раком. Но эти два фермента оказались различными! Значит, фермент, найденный в раковых клетках человека, не вирусного происхождения, как считали ранее.

Однако на самую большую неожиданность Спигелмен наткнулся перед публикацией своих последних наблюдений. Стремясь исследовать некоторые другие нормальные клетки, чтобы установить, не присутствует ли все-таки в них этот загадочный фермент, он исследовал ткани человеческого плода (выкидыша). Результат был подобен разорвавшейся бомбе — клетки эмбриона содержали тот же фермент! Действительно, неожиданный поворот событий! Удивительные ферменты, которые, как полагали, проникают в тело человека с вирусными частицами и имеют какую-то связь с раком, вдруг обнаружены в зародыше человека.

Какие же выводы можно сделать из этих фактов? Конечно, мы не должны забывать, что существуют различные, очевидно специализированные, типы полимеразы ДНК. Во всяком случае, присутствие фермента в раковых клетках человека и в клетках человеческого зародыша едва ли стоит связывать с вирусами. Вполне возможно, что в наборе человеческой клетки есть и такие гены, которые несут в себе «генетическую информацию» для синтеза этого фермента. Быть может, в нем нуждается каждая клетка, которой предстоит быстрый рост и размножение, а такими клетками как раз и являются клетки плода и опухолевые клетки.