Полная версия

Главная arrow Медицина arrow Век генетики и век биотехнологии на пути к редактированию генома человека

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Составляющие компоненты успеха

Уотсон и Крик стремились так расположить соединенные проволочками (они условно обозначали химические связи) шарики-атомы, чтобы возведенная конструкция соответствовала рентгенограммам ДНК. Их для Уотсона и Крика получал английский физик — он работал рядом в Лондонском Кинге-Колледже, друг Ф. Крика Морис Уилкинс. Уроженец Новой Зеландии, ровесник Крика, специалист по рентгеновской кристаллографии, Уилкинс во время войны был участником совместного американско- английского атомного проекта. Это занятие, признавался Уилкинс, намного снизило его интерес к физике, и в послевоенные годы он переключился на биофизические исследования. Морис Уилкинс и его сотрудник Розалинд Франклин были крупнейшими английскими специалистами по рентгеноструктурному анализу ДНК. Именно их экспериментальные данные были использованы Уотсоном и Криком и положены в обоснование проверки своих моделей.

Существенный компонент в понимание структуры ДНК внес Лайнус Полинг. В 1950 г вместе с Г. Кори они теоретически предсказали существование альфа-спиралей в глобулярных белках. Вот писал Дж. Уотсон [1969]: «Спирали в то время были в центре внимания лаборатории, главным образом из-за альфа-спирали Полинга. ...Через несколько дней после моего [Уотсона] приезда мы уже знали, что нам следует предпринять: пойти по пути Полинга и одержать над ним победу его же оружием». Но и Полинг не дремал. Он так же активно обдумывал и обсуждал варианты молекулярных моделей ДНК.

Крик имел опыт исследования дифракции рентгеновских лучей на спиралях. Это позволяло мгновенно отыскивать признаки спираль- ности на фотографиях дифракции рентгеновских лучей. Кроме этого, по мнению многих, он обладал великолепной интуицией и логикой. Уже на то время Уотсон и Крик понимали, что ставки очень высоки. Все складывалось таким образом, что речь шла о ключевых объектах биологической организации. В модели Н.К. Кольцова репликация хромосом рисовалась как комплементарное выстраивание сегментов вдоль матрицы. Опыт структурной химии и квантовой физики подсказывал Л. Полингу, что требуются наиболее тесные контакты между взаимодействующими молекулярными поверхностями типа: принцип взаимодействия антиген — антитело, фермент — субстрат и др. Мозговой штурм продолжался 18 месяцев. Он сопровождался довольно сложными личностными отношениями между участниками предприятия. Например, Дж. Уотсон и Ф. Крик встречали решительный отпор со стороны Р. Франклин. Но ее данные по В-форме ДНК дали ключевой импульс для разработки модели.

Даже судьба способствовала Уотсону и Крику. Полинг неоднократно просил прислать ему рентгенограммы дифракции, но М. Уилкинс не торопился. Когда Полинг собрался на конференцию в Лондон, Госдепартамент США не выдал ему визу. Виной тому была активная пацифистская деятельность Полинга против ядерных испытаний. Известно, что он, помимо Нобелевской премии по химии (1954), впоследствии был также лауреатом двух премий мира — Нобелевской и Ленинской.

В начале 1953 г. Уотсон и Крик познакомились негласно, точнее полулегально, с последними данными Р. Франклин по дифракции рентгеновских лучей на препаратах В-формы ДНК, возникающей при высокой влажности. Они сразу узнали признаки спирали с шагом 34 А и диаметром 20 А. Впоследствии он вспоминал [Уотсон, 1969]: «И вдруг я заметил, что пара аденинтимин, соединенная двумя водородными связями, имеет точно такую же форму, как и пара гуанинцитозин, тоже соединенная по меньшей мере двумя водородными связями.... Если пурин всегда соединяется водородными связями с пиримидином, то две нерегулярные последовательности оснований прекрасно укладываются регулярно в центре спирали. При этом аденин всегда должен спариваться только с тимином, а гуанин только с цитозином, и правила Чаргаффа, таким образом, неожиданно оказывались следствием двуспиральной структуры ДНК. А главное, такая двойная спираль подсказывала гораздо более приемлемую схему репликации. Последовательности оснований двух переплетенных цепей комплементарны друг другу.... Поэтому было очень легко представить себе, как одна цепь может стать матрицей для другой».

В результате этим комбинаторным исканиям наступил конец. Однажды Уотсон и Крик обнаружили, что всем требованиям удовлетворяет модель, представляющая собой двойную спираль, потому так и была названа книга Уотсона. Поиски можно было прекратить. Ученым крупно повезло: они сравнительно быстро попали в точку — трудились, возясь с моделями, всего два года.

Была срочно построена стереомодель двухцепочечной ДНК. Она оказалась правовинтовой спиралью с противоположной ориентацией цепей. «Уже через два дня Морис позвонил нам и сказал, что, как убедились они с Рози {Франклин), рентгенографические данные явно подтверждают существование двойной спирали» [Уотсон, 1969]. Через месяц первая статья о двойной спирали ДНК была опубликована в журнале «Nature» [Watson, Crick, 1953].

Статья начиналась словами: «Мы предлагаем вашему вниманию структуру соли дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Эта структура имеет некоторые новые свойства, которые представляют значительный биологический интерес».

И модель в виде двойной спирали (все ее детали были описаны в статье, опубликованной в «Nature») тогда, в 1953 г., представлялась не более чем изящной и смелой гипотезой. В ней все требовало проверки. Двойная спираль? А почему не тройная, не четверная?.. Произвольно ли чередуются в спиралях основные элементы — А, Г, Ц и 7? Или, как думали прежде многие, какие-то их комбинации, скажем АТЦГ, служат основными блоками и генетические послания заключены в формулах типа (АТЦГ)п, где п — неизвестные пока целые числа?.. В самом ли деле молекулы ДНК закручены в спирали? Если да, то какие они, спирали, — левые или правые?..

Последующие детальнейшие проверки в основном подтвердили, а не опровергли их представления. Модель выдержала самые строгие экзамены. Среди экзаменаторов был и обойденный в этой научной гонке главный соперник Уотсона и Крика Лайнус Полинг. А высшей наградой для Уотсона, Крика и Уилкинса стало присуждение всей троице в 1962 г. Нобелевской премии.

Созданная природой молекула ДНК изящна и элегантна. Удалось увидеть то, о чем твердили Мендель, Морган и их последователи. Так был нарисован портрет прежде почти мистического, абстрактного (классическая генетика) понятия «ген».

«Полинг впервые услышал о двойной спирали от Дельбрюка... Полинг, как и Дельбрюк, был сразу же покорен» [Уотсон, 1969]. «Открытие двойной спирали принесло нам не только радость, но и облегчение. Это было невероятно интересно и сразу позволило нам сделать важное предположение о механизме удвоения ДНК» [Уотсон, 1968]. Но это было сделано Кольцовым и Тимофеевым-Ресовским.

Модель Уотсона — Крика была признана быстро и повсеместно благодаря своим неоспоримым достоинствам. Она полностью выдержала испытание временем, разрешила множество трудных проблем. Модель утвердила матричный принцип Кольцова. Двойная цепь способна к точному копированию в один этап путем двух сопряженных матричных процессов. Генетическое разнообразие оказалось возможно свести к вариантам порядка мономеров, как предполагали Н.К. Кольцов, М. Дельбрюк, Э. Шрё- дингер и многие другие. Тогда сохранение порядка должно быть основой консервативности наследственности. Изменения порядка мономеров, очевидно, должны были вызывать наследственные изменения, т.е. мутации.

Материальный носитель генетической информации найден — это нуклеиновые кислоты — ДНК и, как стало ясно позже, и РНК (В 1955 г. X. Френкель-Конрат выдвинул предположение о том, что материальным носителем генов может быть также и РНК). Определен также промежуточный получатель генетической информации — белки. Те и другие имеют ряд общих особенностей: линейные полимеры, построенные из небольшого разнообразия мономеров — нуклеотидов и аминокислот. Имеется и астрономическое разнообразие возможных перестановок.

В 1958 г. Ф. Крик сформулировал принцип как «центральную догму» молекулярной генетики [Crick, 1958]. Вскоре после публикации модели к анализу присоединился крупнейший физик-теоретик Георгий Антонович Гамов (в английской транскрипции Джордж Энтони Геймов (George Antony Gamov). В конце 1920-х — начале 1930-х гг. Г.А. Гамов был гордостью молодой советской теоретической физики [Френкель, Чернин, 1989; Гамов, 1994]. Ему было 28 лет, его воспевали поэты [Гамов, 1994].

Однако в 1933 г., выехав на очередной Сольвеевский конгресс за границу, Гамов не дождался продления командировки и не вернулся, став невозвращенцем (в этом большую роль сыграла его жена). Это был большой грех для всех. Рекомендовавших наказали. Самого Гамова отлучили от Академии наук и от Родины и только в 1990 г. посмертно восстановили в Академии. Г.А. Гамову принадлежало много открытий, но два крупнейших открытия — теория а-распада и космологическая теория «горячей Вселенной» — работы нобелевского уровня. Третьим своим основным достижением Гамов считал постановку проблемы генетического кода.

Вот как сам Гамов [1994] описывал этот момент: «Прочитав в Nature в мае 1953 г. статью Уотсона и Крика, которая объясняла, как наследственная информация хранится в молекулах ДНК в форме последовательности четырех видов простых атомных групп, известных как “основания” (аденин, гуанин, тимин и цитозин), я задался вопросом, как эта информация переводится в последовательность двадцати аминокислот, которые образуют молекулы протеина. Простая идея, которая пришла мне в голову, состояла в том, что можно получить 20 из 4 подсчетом числа всех возможных триплетов, образующихся из четырех различных сущностей. Возьмем, например, колоду игральных карт (в которой мы обращаем внимание только на масть карты). Сколько триплетов одного и того же вида можно получить?»

Таким образом, Гамов первым сформулировал проблему генетического кода... Кодирующие группы символов могут быть только триплетными. Правила соответствия триплетных групп нуклеотидных символов (в дальнейшем названных кодонами) и символов аминокислот образуют генетический код. Главная задача — расшифровать этот код, в том числе объяснить происхождение числа 20, имея в наличии 43 = 64 триплета.

Кстати, «сродство» Гамова к карточной терминологии становится понятным, если учесть некоторые его пояснения и обмолвки. Например, [Гамов, 1994]: «Однажды вечером, когда я зашел в знаменитое Казино да Урка, чтобы посмотреть на карточную игру...». Короче говоря, Гамов — картежник, но в данном случае это способствовало постановке проблемы. Известно ведь, что теория вероятностей возникла из практики карточных игр и рулетки. Кроме того, Гамов попытался использовать для решения проблемы генетического кода методы дешифровки шпионских кодов, в которых имел некоторый опыт.

Следствием статьи Уотсона и Крика 1953 г. было огромное количество открытий в области как организации генетического материала, так и закономерностей его работы. Выявлены принципы молекулярной организации и ферментативные системы основных фундаментальных генетических процессов, обеспечивающих свойства и функции генов: репликацию, транскрипцию, трансляцию, мутирование и репарацию, рекомбинацию, сегрегацию и т.д. Выявлена пунктуация этих единиц и процессов — знаки начала и конца, которые обеспечивают их ограниченную локализацию и управление в геномах. Этим обеспечивается дискретность всех функциональных единиц во всех отношениях.

В результате полностью отпала гипотеза белка как материального носителя генов. Во всех случаях эту роль выполняет ДНК или РНК. Полностью отпала также квантовая гипотеза пространственных изомеров макромолекул-генов М. Дельбрюка. Подтвердилась «гипотеза последовательности» Ф. Крика, постулирующая, что генетическая информация в генах кодируется составом и порядком входящих мономеров.

Установлен принцип гомологичного синапсиса молекул ДНК и хромосом. Фактически синапсис сводится к комплементарности цепей ДНК и участию ферментов-синтетаз. Исторически на первом этапе молекулярной генетики классическое нестрогое представление о системах ген — признак очень сильно сузилось до принципа «один ген — один фермент». Понятие «локус» вместо точки на генетической карте стало означать «непрерывный участок генома». В связи с этим уточнилось понятие алле- лизма. Однако с развитием молекулярно-генетической и биохимической техники представление о системах «ген — признак» снова быстро расширилось, охватив самые разнообразные генетические структуры и признаки — биохимические, морфологические, функциональные, транспортные, защитные, регуляторные и др. В результате оказалось, что цистрон имеет дело лишь с ограниченным классом функций и функциональных единиц, которые заведомо не исчерпывают смысловой, кодирующей части генома.

В геномах функциональные единицы всех типов и разделяющие их последовательности построены из одинакового генетического материала: мономеров ДНК или РНК. Значит, гены являются не физическими, а информационными единицами. В этом смысле они напоминают лингвистические единицы информации в текстах естественных языков. Сравнение их свойств показывает, что кодоны более всего напоминают трехбуквенные слова, цистроны — предложения, скриптоны — абзацы текста, а ре- пликоны — единицы воспроизведения. Смысл закодированной информации — это функции и свойства соответствующих продуктов структурных генов или самих функциональных сайтов генома. Таким образом, информационно-лингвистический подход оказался очень продуктивным для понимания природы генов. В рамках такого подхода понятие «ген» ближе всего к понятию «значащая лингвистическая конструкция», которое охватывает и слог, и слово, и предложение, и абзац, и печатный лист, и т.д. Это — групповое понятие, необходимое как в теоретическом, так и в эвристическом отношении. Экспериментатор-генетик длительное время не знает, какова истинная природа локуса, с которым он работает. В этой ситуации нужен групповой термин, охватывающий широкий круг возможных функциональных единиц [Ратнер, 1990].

P.S.

В 1962 г. Дж. Уотсон, Ф. Крик и М. Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за установление молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее роли в передаче информации в живой материи. К сожалению, Р. Франклин не дождалась такого признания, она умерла в 1958 г. Несомненно, она была достойна этой премии.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>