ДНК. История генетической революции

Уотсон Джеймс

После того как удалось охарактеризовать молекулу-репрессор, мы наконец смогли в целом понять молекулярные процессы, лежащие в основе жизни. Известно, что ДНК продуцирует белки посредством РНК; теперь также выяснилось, что белок может взаимодействовать непосредственно с ДНК. В таком взаимодействии участвуют белки, связывающиеся с ДНК, которые способны контролировать транскрипцию многих генов, кодирующих, возможно, другие белки-регуляторы. В связи с этим белки-регуляторы обладают координирующим влиянием на активность многих генов, и их действие характеризуется плейотропным эффектом.

После открытия центральной роли РНК в работе клетки возник интересный вопрос (ответ на который долго не удавалось найти): почему передача информации из ДНК должна опосредоваться молекулой РНК, а лишь потом возможна ее трансляция в последовательность полипептидов? Вскоре после расшифровки генетического кода Френсис Крик предложил

решение этого парадокса и выдвинул идею, что РНК – предтеча ДНК. Он предположил, что РНК была первой генетической молекулой и в какой-то период вся жизнь была основана на РНК. До привычного нам нынешнего «мира ДНК» (которому пара миллиардов лет) существовал «мир РНК». Крик полагал, что своеобразная химия РНК (в ее основе присутствует сахар рибоза, а не дезоксирибоза, как в ДНК) обеспечивает ей ферментные свойства, благодаря которым РНК может катализировать собственную саморепликацию.

Крик считал ДНК «более поздней эволюционной разработкой», которая могла возникнуть из-за относительной нестабильности молекул РНК: они деградируют и мутируют гораздо легче, чем молекулы ДНК. Если требуется хорошая, стабильная молекула, подходящая в качестве долговременного хранилища генетической информации, то гораздо удобнее воспользоваться ДНК, чем РНК.

Гарри Ноллер возится с рибосомами

Идеи Крика о мире РНК, предшествовавшем миру ДНК, оставались в основном незамеченными до 1983 года. В 1983 году Том Чек из Университета штата Колорадо и Сидни Олтмен из Йеля независимо продемонстрировали, что молекулы РНК действительно обладают каталитическими свойствами, и за это открытие были удостоены Нобелевской премии по химии в 1989 году. Еще более убедительные доказательства в пользу существования мира РНК до появления ДНК появились десятилетием позже, когда Гарри Ноллер из Калифорнийского университета в городе Санта-Крус продемонстрировал, что формирование пептидных связей, обеспечивающих сочленение белков из аминокислот, не катализируется ни одним из шестидесяти разных белков, ассоциированных с рибосомой – органеллой, где синтезируются белки. Напротив, образование пептидных связей катализируется РНК. Ноллер пришел к такому выводу, удалив из рибосомы все белки и обнаружив, что она при этом не утрачивает способности образовывать пептидные связи. Исключительно подробный анализ объемной структуры рибосомы, выполненный Ноллером и другими учеными, позволяет понять, почему это происходит: белки рассыпаны по поверхности, далеко от «эпицентра действий», расположенного в центре рибосомы.

Эволюция жизни после Большого взрыва. Вероятно, мы так и не сможем узнать, когда именно возникла жизнь, но первые организмы, по-видимому, были основаны исключительно на РНК

Эти открытия позволили окончательно решить проблему «курицы и яйца», коренившуюся у истоков жизни. Доминировавшая точка зрения, согласно которой первые организмы были основаны на молекуле ДНК, столкнулась с очевидным противоречием: молекула ДНК не может собираться сама собой: для этого нужны белки! Что возникло раньше? Белки, не обладающие механизмом копирования информации, или ДНК, которая может копировать информацию, но лишь в присутствии белков? Проблема была неразрешима: считалось, что никакая ДНК без белков не получится, но белки не получатся без ДНК.

Однако РНК эквивалентна ДНК (эта молекула также может хранить и воспроизводить генетическую информацию), а также эквивалентна белкам (может катализировать критически важные химические реакции) – вот и ответ. На самом деле, в «мире РНК» проблема курицы и яйца снимается сама собой: РНК – это курица и яйцо одновременно.

РНК – это эволюционная реликвия. Справившись с той или иной проблемой, естественный отбор обычно придерживается найденного решения, фактически реализуя принцип: «пока не сломалось – не ремонтируем». Иными словами, при отсутствии селективного давления, провоцирующего изменения, клеточные системы не обогащаются никакими инновациями, поэтому несут в себе многочисленные отпечатки эволюционного прошлого. Процесс может протекать именно так, а не иначе именно потому, что данное решение было найдено раньше, а не потому, что оно является наилучшим и эффективным.

Первые двадцать лет после открытия двойной спирали были в молекулярной биологии очень плодотворными. Мы поняли базовые механизмы, лежащие в основе жизни, и даже осознали,

как регулируется работа генов. Тем не менее на том этапе мы всего лишь наблюдали; мы были молекулярщиками-натуралистами, а клетка напоминала нам тропический лес. Мы описывали то, что видели вокруг. Но пришло время действовать. Довольно наблюдений: нас манила перспектива того, что вскоре мы сами сможем вмешаться и начнем манипулировать живыми существами. Все это стало реально с появлением технологий для работы с рекомбинантной ДНК, а затем и возможностей подгонки молекул ДНК под нужды человечества.

Лаборатория P4 – ультразащищенный комплекс, в котором ведутся биохимические исследования смертельно опасных организмов, например вируса лихорадки Эбола, а также разрабатывается биологическое оружие. В конце 1970-х годов в лаборатории P4 также работали ученые, исследовавшие человеческую ДНК методами генной инженерии

Глава 4

Подобные Богу: работа над молекулой ДНК

Молекула ДНК невероятно длинная. В любой хромосоме присутствует всего одна непрерывная двойная спираль ДНК. Когда требуется «популярно» объяснить масштабность этой молекулы, нуклеотидную наполненность ДНК сравнивают с количеством записей в телефонном справочнике Нью-Йорка или с длиной Дуная. Мне такие сравнения ни о чем не говорят – я не знаю, сколько номеров в телефонной книге Нью-Йорка, а Дунай ассоциируется у меня скорее с вальсами Штрауса, а не с какой-то линейной дистанцией.

Все человеческие хромосомы (кроме половых: X и Y) нумеруются в зависимости от размера. Хромосома 1 – самая крупная, а хромосомы 21 и 22 – мельчайшие. На хромосому 1 в каждой клетке приходится 8 % ДНК, примерно четверть миллиарда пар оснований. В хромосомах 21 и 22 содержится соответственно 48 и 51 миллион пар оснований. Даже в самых маленьких молекулах ДНК (у вирусов маленьких размеров) как минимум несколько тысяч пар оснований.

На заре молекулярной биологии огромные размеры молекулы ДНК представляли серьезную проблему. Чтобы разобраться с тем или иным геном, то есть конкретным отрезком ДНК, нужно было каким-то образом отделить его от всей остальной ДНК, которая простирается по обе стороны от этого гена. Но этим дело не ограничивалось: ген нужно было не только выделить, но и, так сказать, увеличить: получить настолько крупный фрагмент гена, чтобы с ним можно было работать. В сущности, нам требовался инструмент для молекулярного редактирования – пара молекулярных ножниц, которые позволяли бы кроить текст ДНК, получая удобоваримые фрагменты. Нужен был молекулярный клей, чтобы соединять полученные фрагменты, и, наконец, молекулярная «копировальная машина» для увеличения нарезанных и выделенных нами молекулярных фрагментов. Мы хотели делать примерно то, что сегодня позволяет делать современный текстовый редактор: вырезать, копировать и вставлять кусочки ДНК.

Разработка базовых инструментов для таких процедур казалась отчаянно сложной задачей даже после расшифровки генетического кода. Однако после ряда открытий, сделанных в конце 60-х – начале 70-х годов, для нас словно «звезды сошлись»: в 1973 году появилась так называемая технология рекомбинантных ДНК, что дало возможность редактировать ДНК. Это был не просто прорыв в методах молекулярной биологии. Ученые разом обрели инструмент для адаптации молекул ДНК к потребностям исследователя путем создания таких ДНК, которых никогда не существовало в природе. Мы смогли опробовать себя в роли Бога, экспериментируя с молекулярной основой самой жизни. Такая идея многим казалась некорректной. Так, всегда настороженный и остро реагирующий на любые новаторские идеи Джереми Рифкин, которому каждая новая генетическая технология казалась скользкой дорожкой к созданию монстра, наподобие Франкенштейна, очень верно отметил, что «технология рекомбинантной ДНК может поспорить по значимости с приручением огня».

Артур Корнберг первым «создал жизнь» в пробирке. Как мы уже знаем, в 1950-е годы он открыл ДНК-полимеразу, фермент, обеспечивающий репликацию ДНК и выстраивающий комплементарную копию из расплетенной исходной нити. Позже, работая с вирусной ДНК, он наконец смог осуществить репликацию всех 5300 пар оснований ДНК этого вируса. Однако полученный продукт не был «живым»: несмотря на то что последовательность оснований ДНК не отличалась от исходной, молекула была биологически инертна. Чего-то не хватало. Это недостающее звено удалось найти лишь в 1967 году, причем это одновременно сделали Мартин Геллерт из Национальных институтов здравоохранения и Боб Леман из Стэнфорда. Фермент назвали лигазой. Лигаза позволяет склеивать концевые участки молекул ДНК.