Текст книги "Нобелевские премии по физиологии или медицине за 100 лет"

СУНЕ К. БЕРГСТРЁМ, Швеция

(SUNE К. BERGSTRÖM)

1916

БЕНГТ И. САМУЭЛЬСОН, Швеция

(BENGT I. SAMUELSSON)

1934

ДЖОН Р. ВЕЙН, Великобритания

(JOHN R. VANE),

1927

1909

1923

1947 (б)

1950

1957

1977

1982

1986

ФОРМУЛИРОВКА НОБЕЛЕВСКОГО КОМИТЕТА: «за открытия, касающиеся простагландинов и роственных им биологически активных веществ».

СУТЬ ОТКРЫТИЯ: за выделение из тканей простагландинов – ранее неизвестного класса регуляторных веществ (Бергстём); за описание метаболизма простагландинов – образования их из ненасыщенных жирных кислот и превращения их в эндопероксиды, тромбоксаны и лейкотриены (Самуэльсон); за обнаружение еще одного производного простагландинов – простациклина и исследование его биологических эффектов, а также за открытие механизма противовоспалительного действия аспирина – блокирование образования простагландинов и тромбоксанов (Вейн).

ПРЕДЫСТОРИЯ

До XIX века отчетливых представлений о веществах, выделяющихся клетками тела и участвующих в регуляции важных жизненных процессов не существовало. Все, чем располагала наука, – идеи о «соках тела», появившиеся еще до Гиппократа (V–IV век до и. э.). Спорадические находки ученых XIX века не привели к формированию учения о гуморальной (лат. humor — жидкость) регуляции. Первые гормоны были открыты в начале XX века. В 1901 году японец Е. Такамине (J. Takamine) получил в кристаллическом виде действующее начало мозгового вещества надпочечников и назвал его адреналином. В 1902 году в Англии Уильям Мэддок Бейлисс (William Maddock Bayliss, 1860–1924) и Эрнест Генри Старлинг (Ernest Henry Starling, 1866–1927) описали действие секретина. В 1914 году Кендалл (Нобелевская премия 1950 года) выделил гормон щитовидной железы, который назвал тироксином. В 1922 году Бантинг (Нобелевская премия 1923 года) и Чарльз Герберт Бест (Charles Herbert Best) открыли инсулин и применили его для лечения диабета. Во второй половине 1930-х и первой половине 1940-х годов Кендалл, Рейхштейн, и Хенч (все – Нобелевская премия 1950 года) выделили гормоны коры надпочечников, определили их химическую структуру и применили в клинике.

Таким образом, к середине XX века было создано учение о гормонах, их роли в нормальной и патологической регуляции и мало что указывало на то, что помимо классических гормонов, таких, как инсулин или тироксин, существуют и другие классы регуляторных веществ.

Первые упоминания о том, что в предстательной железе (простате) есть некое вещество, вызывающее снижение кровяного давления, относятся к началу XX века. В 1930-е годы фон Эйлер (Нобелевская премия 1970 года) и М. Гольдблатт (М. Goldblatt) независимо обнаружили, что семенная жидкость и семенные пузырьки большинства животных и человека, содержат вещество, вызывающее сокращение гладкой мышцы матки. Фон Эйлер выделил это вещество из семенной жидкости барана и назвал его простагландином (анат. prostata — предстательная железа и glandula — железа).

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ

В 1945 году фон Эйлер передал Бергстрёму экстракт простаты, и Бергстрём сумел добиться более высокой степени очистки активного начала. Тестом в этом случае служила гладкая мышца кролика. Даже после очистки до почти «невесомого состояния» препрат сохранял высокую активность. В конце 1950-х – начале 1960-х Бергстрём и его сотрудники выдилили и очистили два соединения – простагландины PGE и PGF. Сотрудники Каролинского института, а также химики из Стокгольма и Упсалы помогли определить химическую структуру этих веществ. Было обнаружено, что основой их молекулы является цепочка из 20 атомов углерода. Сходство строения простагландинов и жирных кислот послужило предположением о происхождении первых из вторых. Предположение подтвердилось: в начале 1970-х годов Самуэльсон обнаружил, что простагландины возникают в организме в результате преобразования ненасыщенных жирных кислот (НЖК) и прежде всего – арахидоновой кислоты.

Самуэльсон, работавший вместе с Бергстрёмом с начала 1960-х годов, с 1965 года стал ведущим специалистом по биохимии простагландинов. Самуэльсон и его сотрудники изучили биохимические процессы возникновения и расщепления простагландинов. Они показали, что простагландины присутствуют практически во всех клетках. Было сформулировано представление о «простагландиновом древе» – последовательности преобразования веществ простагландиновой системы. В одной из двух главных ветвей этого древа из циклических эндопероксидов PGG₂ и PGH₂ образуются простагландины PGE₂, PGF₂₆ и PGD, тромбоксаны ТХА₂ и ТХВ₂ и простациклины: другая ветвь – образование лейкотриенов, где самый короткоживущий из них лейкотриен А₄ дает начало лейкотриенам В₄, С₄,D₄mE₄.

Вейн в 1960-е годы создал метод каскадного суперфузионного биоанализа, позволявший исследовать параллельно эффекты сразу нескольких веществ. Применив этот метод, Вейн и его сотрудники показали, что аспирин и родственные ему противовоспалительные лекарства блокируют синтез простагландинов. Этим свойством обладают также стероидные гормоны. Они подавляют образование и эндопероксидов, и лейкотриенов из арахидоновой кислоты, в то время как аспирин блокирует только образование эндопероксидов. Благодаря этому важному открытию стал понятен механизм действия антипиретиков (греч. anti — против и pyretos — жар) – наиболее часто используемых в мире лекарств. Исследователи же получили в свое распоряжение полезный инструмент воздействия на простагландиновую систему. Вейн также установил, что простагландины являются нестойкими соединениями и потому действуют в пределах той ткани или группы клеток, в которой они образованы (паракринное действие).

Простагландины вовлечены в большое количество биохимических процессов, часто в чрезвычайно низких концентрациях. Способ действия веществ этого семейства, однако, совершенно различен. Производные эндопероксидов (простагландины, тромбоксаны и простациклин) высвобождаются, когда постоянству внутренней среды организма грозит опасность из-за травмы, болезни или стресса. Так, например, простагландины непрерывно продуцируется в желудке, где они предупреждают повреждение тканей стенки соляной кислотой. Если блокировать образование простагландинов, может быстро развиться язвенная болезнь.

Когда почка подвергается стрессу из-за уменьшения доставки к ней кислорода и гипотензии, как известно, активируется ренин-ангиотензиновая система, восстанавливающая кровяное давление. Одновременно она способствуют выбросу простагландина PGE. сосудорасширяющее действие которого ослабляет эффект ангиотензина. Если высвобождение PGE в почке блокировано, функция почек быстро ухудшается из-за безконтрольного действия гормона. Простагландины группы F, наоборот, обладают сосудосуживающим действием.

Непрерывный кровоток – предпосылка для устойчивого снабжения клеток энергией. Повреждение стенки кровеносного сосуда немедленно затрагивает клетки крови, вследствие этого инициируется процесс свертывания крови как защита от кровопотери. Однако, образование тромбов может нарушать кровоток в органах и даже приводить к смерти. Чтобы защитить организм от бесконтрольного тромбоза, природа создала сложный механизм, существенной частью которого являются простагландины. Тромбоксан А₂ стимулирует сужение сосуда и формирование тромба, простациклин, наоборот, расширяет сосуды и препятствует образованию тромбов.

Непрерывное образование простагландинов происходит в тромбоцитах так же, как и в стенах кровеносных сосудов. Тромбоксаны в тромбоцитах инициируют аггрегацию клеток крови, в то время как простациклин в стенке сосуда эффективно подавляет этот процесс. Обычно существует баланс между образованием двух простагландинов антагонистического действия. Нарушение равновесия приводит к свертыванию крови. В 1970-е годы были найдены вещества, которые эффективно и избирательно блокируют образование тромбоксанов в тромбоцитах. Эти вещества были применены для предупреждения развития тромбозов.

В отличие от простагландинов, тромбоксанов и простациклина, лейкотриены прежде всего действуют как гормоны защиты. Кроме того, лейкотриены образуются только в некоторых тканях и клетках, например, в легких и в лейкоцитах, где они играют важную роль в развитии аллергических и воспалительных проявлений. Было показано, что лейкотриены образуются и высвобождаются в ткани легкого больных астмой, когда они подвергаются действию аллергенов. Лейкотриены стимулируют сужение бронхов и вызывают накопление жидкости в легком – характерные признаки приступа астмы. Вещества, блокирующие образование лейкотриенов, могут быть использованы как лекарства против астмы.

Было показано, что лейкотриены способствуют скоплению и агрегации лейкоцитов и увеличению количества жидкости в очаге воспаления. Таким образом, лейкотриены – важный фактор начального периода воспалительного процесса. Блокаторы синтеза лейкотриенов были опробованы в качестве противовоспалительных средств.

ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА

Открытия Бергстрёма привлекли интерес других исследователей к ненасыщенным жирным кислотам. Их присутствие в большинстве клеток тела обеспечивает основу ранее неизвестной биологической системы, имеющей фундаментальное значение для некоторых процессов в здоровом и больном организме.

Простагландины стали использоваться при лечении некоторых болезней. Так, у пациентов с атеросклеротическим стенозом артерий нижних конечностей после применения простагландинов боль часто уменьшалась или исчезала вообще. У пациентов с язвенной болезнью аналоги простагландинов значительно снижали кислую желудочную секрецию и часто излечивали язву.

Простагландины применяются в акушерстве и гинекологии. Способность простагландинов расслаблять шейку матки успешно использовалась для производства абортов, или выкидышей. Этот эффект уникален, так как до открытия простагландинов не было лекарств для расширения шейки матки.

Причина болей, возникающих в периоды менструации, была неизвестна. Возможно, она состоит в избыточном образовании простагландинов в матке. Различные вещества, блокирующие синтез простагландинов, использовались для подавления таких болей, так же как и для подавления болей, вызванных камнями в жёлчном пузыре и почке. Таким образом, наметился новый способ борьбы с висцеральной болью.

БИОГРАФИИ:

БЕРГСТРЁМ

Суне Карл Бергстрём родился 10 января 1916 года в Стокгольме в семье Сверкера Бергстрёма (Sverker Bergstrom) и Веры Вистранд (Wera Wistrand). По окончании средней школы (1934) он поступил на работу в Каролинский институт в Стокгольме, где ему предложили заняться липидами и стероидами. Один год (1938) Бергстрём провел в Лондонском университете, изучая жёлчные кислоты. Начавшаяся Вторая мировая война помешала его планам поехать в Эдинбург для продолжения работы.

В 1940–1942 году Бергстрём работал в Колумбийском университете в Нью-Йорке и в Институте медицинских исследований Сквибба. Здесь он познакомился со специалистами по холестерину.

В 1942 году Бергстрём вернулся в Швецию, в 1944 году получил степень доктора медицины в Каролинском институте и до 1947 года работал ассистентом в отделе биохимии Нобелевского института, где исследовал самоокисление ненасыщенных жирных кислот. Он участвовал в выделении липоксигеназы, произведенной в лаборатории Теорелля (Нобелевская премия 1955 года) и в 1945 году доложил результаты. Прослушавший этот доклад фон Эйлер (Нобелевская премия 1970 года) рассказал Бергстрёму о простагландинах.

В 1946 году Бергстрём работал в Бернском универститете в Швейцарии, а вернувшись на родину стал профессором Лундского университета и создал там несколько новых исследовательских подразделений. Среди его учеников был Самуэльсон.

В 1958 году Бергстрём стал профессором химии Каролинского института. Здесь он был деканом медицинского факультета (1963–1966) и ректором (1969–1977). Бергстрём был избран иностранным членом АН СССР (1976) и АМН СССР (1982).

В 1943 году Бергстрём женился на Май Гернандт (Maj Gemandt). У них есть сын.

САМУЭЛЬСОН

Его интересы первоначально лежали в области исследования метаболизма холестерина с акцентом на механизмы реакций. После работы над структурой простагландинов совместно с Бергстрёмом, чьим учеником он считается, Самуэльсон в 1959–1962 годы интересовался главным образом производными арахидоновой кислоты, что и привело его к открытию эндопероксидов, тромбоксанов и лейкотриенов.

У супругов Самуэльсон сын и две дочери.

ВЕЙН

Джон Роберт Вейн родился 29 марта 1927 года в Тардебигге, Уостершир, Англия и был третьим ребенком в семье Мориса Вейна (Maurice Vane), сына иммигрантов из России, и Фрэнсис Флоренс Фишер (Frances Florence Fisher), происходившей из английской фермерской семьи. Они жили в пригороде Бирмингема, где Джон с пятилетнего возраста ходил в местную школу. С началом войны школа была эвакуирована в сельскую местность, в Дербишир. Ожидаемые бомбежки не состоялись, и в начале 1940 года школа вернулась в Бирмингем. Тогда-то и начались воздушные налеты, и в течение следующих четырех лет школьная и домашняя жизнь Джона были окрашены атрибутами войны. В 12 лет Джон получил на Рождество от родителей химический набор, после чего экспериментирование стало его главной страстью. Соединив бунзеновскую горелку с газовой плитой, он ставил опыты в кухне, но после нескольких взрывов был оттуда изгнан. Позднее отец сделал для него навес в саду и подвел туда воду и газ, положив начало собственной опытной лаборатории Джона. С успехом сдав экзамены по естественным наукам в средней школе в 1944 году, он поступил в университет Бирмингема (который был через дорогу от школы), чтобы изучать химию. Однако, энтузиазм, с которым он пришел на факультет, скоро рассеялся, поскольку выяснилось, что Джону интересна не сама химия, а только процесс экспериментирования. Он без колебаний ухватился за возможность занятия фармакологией. Он приехал в Оксфорд в 1946 году, не имея никакого биологического образования. После получения степени бакалавра (1949) фармакологии Вейн провел несколько месяцев в Шеффилдском университете в качестве исследователя на кафедре фармакологии, а затем вернулся в Оксфорд. В 1951 году он получил стипендию Королевского общества, что позволило ему подготовить диссертацию и защитить ее в 1953 году.

В 1953 году он отправился в Нью-Хэйвен, Коннектикут, по приглашению заведующего кафедрой фармакологии Йельского университета, но через два года вернулся в Британию и начал работу с У. Д. М. Пэйтоном (W. D. М. Paton) в Институте фундаментальных медицинских наук Лондонского университета в Королевском колледже хирургов Англии. Вейн оставался там в течение 18 лет, продвигаясь по службе от старшего лектора до профессора экспериментальной фармакологии. В середине 1960-х годов основное внимание его лаборатории было сосредоточено на простагландинах, что и привело в 1971 году к описанию механизма действия аспирина на обмен простагландинов.

Вейн женился в 1948 году на Элизабет Дафне Пейдж (Elizabeth Daphne Page), у них две дочери.

ЛИТЕРАТУРА

Работы Бергстрёма:

Prostaglandins: Proc. Second Nobel Symp. Stockholm, June, 1966. New York, 1967 (withB. Samuelsson);

Third conf, on prostaglandins in fertility control. January 17–20,1972. Stockholm, 1972 (with K. Green, B. Samuelsson);

Prostacyclin. New York, 1979 (with J. R. Vane).

Работы Самуэльсона:

Prostaglandins: Proc. Second Nobel Symp. Stockholm, June, 1966. New York, 1967 (with S. Bergstrom);

Third conf, on prostaglandins in fertility control. January 17–20,1972. Stockholm, 1972 (with K. Green, S. Bergstrom).

Работы Вейна:

Prostaglandin synthetase inhibitors – their effects of physiological functions and pathological states. New York, 1974 (with H. Robinson);

Metabolic Functions of the Lung. New York, 1977 (with Y. S. Bakhle);

Inflamation. New York, 1978 (with S. H. Ferreira);

Anti-inflammatory Drugs. New York, 1979;

Interactions Between Platelets and Vessel Walls. Great Neck, New York, 1981 (with G. V. R. Bonn);

Prostacyclin in Health and Disease. Edinburgh, 1982.

О них:

NewmarkP Nobel prizes 1982. Prostaglandins //Nature. 1982. V. 299. N. 5884. P. 573;

Oates J. A. The 1982 Nobel Prize in physiology or medicine//Science. 1982. V. 218. N. 4574. P. 765–768.

Miller J. A. Nobel prize in medicine for prostaglandin discoveries // Sci. News. 1982. V. 122. N.

16. P. 245;

Nobel Prize honors prostaglandin studies // Chem. Eng. News. 1982. V. 60. N. 42. P. 6–7.

БАРБАРА МАК-КЛИНТОК, США

(BARBARA MсCLINTOCK)

1902–1992

1933

1935

1946

1958

1959

1962

1965

1966 (а)

1968

1969

1975

1978

1983

1989

1993

1995

ФОРМУЛИРОВКА НОБЕЛЕВСКОГО КОМИТЕТА: «за открытие подвижных элементов генома».

СУТЬ ОТКРЫТИЯ: за открытие того, что часть структурных элементов хромосомы способна перемещаться по самой хромосоме и к другой хромосоме. Такие перемещения регулируют экспрессию генов и вызывают структурную нестабильность хромосом. В частности, это позволяет понять, как развивается устойчивость бактерий к антибиотикам, а, возможно, и механизм образования новых биологических видов.

ПРЕДЫСТОРИЯ

Еще в начале XIX века английский селекционеры скрещивая растения различных видов, обратили внимание на то, что в гибридах признаки исходных видов не теряются, но проявляются в различных комбинациях. Позднее, когда открыли явление доминантности, то есть преобладания одного из парно наследуемых признаков выяснилось, что при скрещивании часть родительских признаков исчезает, чтобы проявиться вновь в третьем и далее поколениях.

Честь открытия законов генетики принадлежит, как известно, монаху (позднее – аббату) доминиканского монастыря в Чехии Грегору Иоганну Менделю (Gregor Johann Mendel, 1822–1884). В 1854–1863 годы он поставил множество опытов по скрещиванию разных сортов гороха. Мендель хорошо спланировал исследование и, в отличие от своих предшественников, выбрал для анализа лишь несколько признаков (например, цвет горошин, шероховатость их поверхности, окраску цветков). Свои результаты он опубликовал в 1866 году, после чего они были благополучно забыты: биология и общество в целом не были готовы к восприятию истин новой науки – генетики. Зато в 1900 году сразу три исследователя одновременно – немец Карл Эрих Коррейе (Carl Erich Correns, 1864–1933), голландец Хуго Де Фриз (Hugo De Vries, 1848–1935) и австриец Эрих Чермак-Зейзенегг (Erich Tschermak-Seysenegg, 1871–1962) – опубликовали свои работы по скрещиванию растений, в которых они заново открыли законы Менделя. Уже после этого забытую работу Менделя повторно опубликовали (1901).

В 1901 году Де Фриз постулировал существование спонтанных изменений одного или нескольких наследуемых признаков. Такие изменения он назвал мутациями (лат. mutatio — изменение), чем существенно дополнил дарвинизм, указав на причину изменчивости. Мёллер (Нобелевская премия 1946 года), работая с плодовой мушкой Drosophila melanogaster, обнаружил, что рентгеновские лучи увеличивают количество мутаций в сто и более раз.

Фридрих Антон Шнейдер (Friedrich Anton Schneider) в 1873 году описал в клеточном ядре органеллы, которые Г. В. Г. Вальдейер (Н. W. G. Waldeyer) в 1888 году назвал хромосомами (греч.: цветные тельца). Август Вейсман (August Weismann, 1834–1914) в Германии указал на них как на носителей наследственности (а заодно и предвосхитил позднейшие идеи о дискретности генов). В 1875 году В. А. О. Гертвиг (W. А. О. Hertwig) описал оплодотворение как процесс слияния двух клеток. В 1883 году Эдуард ван Бенеден (Edward van Beneden) сообщил, что половые клетки содержат половинный набор хромосом, а при оплодотворении из двух таких половинных наборов образуется один полный. В начале XX века цитологи Теодор Бовери (Theodor Boveri) и Уолтер С. Саттон (Walter S. Sutton) сообщили, что распределение хромосом между клетками и законы Менделя хорошо соответствуют друг другу. В 1909 году датчанин Вильгельм Людвиг Иогансен (Wilhelm Ludwig Johannsen, 1857–1927) назвал содержащиеся в хромосомах носители наследственности генами (от греч. genos — род, происхождение).

Морган (Нобелевская премия 1933 года) доказал, что хромосомы действительно являются носителями наследственности, что гены расположены в хромосомах в линейном порядке («бусины на нитке»), что между хромосомами одной пары может происходить обмен генами (кроссинговер).

Известно, что скорость большинства химических реакций в живом организме регулируется биологическими катализаторами – белками-ферментами. Ферменты (лат. fermentum — закваска), или энзимы (от греч. en — внутри и zyme – закваска) – биологические катализаторы химических реакций. По химической природе – белки. Каждый фермент катализирует превращение одного вещества или одной группы веществ. В 1902 году британский врач Арчибальд Э. Гаррод (Sir Archibald E. Garrod) обнаружил, что некоторые виды ферментативной недостаточности прослеживаются в нескольких поколениях одной семьи. Он назвал такие недуги «врожденными ошибками обмена веществ». Так, он описал алкаптонурию. наследственное заболевание, при котором в моче человека появляется гомогентизиновая кислота — продукт обмена тирозина (в моче здорового человека этой аминокислоты нет). Гаррод полагал, что причиной болезни является отсутствие в организме фермента, катализирующего реакцию разрыва кольца в молекуле гомогентизиновой кислоты. К 1908 году он описал четыре наследственных ферментопатии. Гаррод был знаком с идеями генетики и предполагал существование цепочки ген фермент химическая реакция. В 1934 году норвежец И. А. Феллинг (ГА. Folling) описал еще один подобный дефект – фенилкетонурию и вызываемую ею олигофрению. Бидл и Тейтем (Нобелевская премия 1958 года) показали, что структура каждого синтезируемого белка закодирована в одном из генов; таким образом, гены управляют синтезом белков, в том числе и ферментов, а ферменты (биологические катализаторы) регулируют другие биохимические процессы в организме. Появилась знаменитая формула Бидла: «один ген – один фермент». В более широком смысле это означало: ген фермент реакция функция. В своей Нобелевской лекции Тейтем поставил перед исследователями задачу: раскрыть механизм, с помощью которого клетка в нужное время активирует нужные гены для производства нужных белков. (В кишечной палочке E.coli обнаружено около 3 тыс. белков, в человеческом организме и того больше – около 5 млн.)

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ

Мак-Клинток обнаружила подвижные элементы генома растений в начале 1950-х годов. Она сделала свое открытие тогда, когда генетический код и структура ДНК (двойная спираль) еще не были известны. Генетическая неустойчивость была первоначально обнаружена в кукурузе (Zea mays), в которой она вызывает изменение окраски зерен: вместо равномерной окраски зерна имеют секторы более интенсивной пигментации. Пятна разнятся по размеру и цвету. Одновременно в клетках выявляются разрывы хромосом и другие аномалии. Мак-Клинток исследовала зависимость между пигментацией зерен и изменениями хромосом. Она обнаружила, что пестрая окраска зерен происходила параллельно с перемещением структурных элементов в пределах хромосомы или между хромосомами. Поскольку такие транспозиции приводили к инактивации смежных генов, Мак-Клинток использовала термин управляющие элементы. чтобы описать подвижные структуры хромосомы. Другие последствия транспозиции состояли в разрывах хромосом в точках, где соединялись подвижные элементы.

Когда Мак-Клинток начала работу, которая привела ее к открытию подвижных элементов генома, генетическая неустойчивость была известна только для растений и насекомых (Drosophila). У кукурузы такая неустойчивость вызвала появление зерен с разной окраской участков. Эта пятнистость, как полагали, отражала большую хрупкость некоторых областей хромосом, заставлявшую гены окраски мутировать более легко, чем другие гены. Поскольку дочерние клетки умножали и наследовали мутантные гены, возникали колонии клеток с измененным характером окрашивания.

Мак-Клинток сначала исследовала структуру хромосом кукурузы, в которых проявлялась пятнистость окрашивания. Соединив результаты этих исследований с результатами генетических скрещиваний, она сумела локализовать гены, например, типа крахмала, и пигментов антоцианов на конкретных хромосомах. Из десяти пар хромосом наиболее интересной оказалась пара номер 9. Выбор кукурузы в качестве объекта исследования предоставил некоторые преимущества. Каждый початок содержит несколько сотен зерен, каждое из которых – результат независимого оплодотворения. Можно легко изучать наследование ряда характеристик, отмечая структуру, содержание крахмала или пигментацию отдельных зерен. Мутации, воздействующие на пигментацию полезны не только потому, что их легко наблюдать, но также и потому что они не вредят размножению клеток. Если единственная клетка претерпевает мутацию или другую форму наследуемых изменений во время развития зерен, это заканчивается изменением окрашивания нескольких последовательных поколений дочерних клеток. Число и размер иначе окрашенных пятен, таким образом, дают важную информацию о степени генетической неустойчивости и моменте развития, в который генетическое изменение имело место.

Другое преимущество кукурузы как объекта экспериментов состоит в том, что в ней легко изучать отдельные хромосомы. В течение 1930-х годов Мак-Клинток сделала важный вклад в генетику кукурузы, детально описав морфологию ее нормальных и измененных хромосом. Эта работа была необходимым условием для открытия подвижных элементов генома.

Первый подвижный элемент Мак-Клинток нашла на хромосоме 9, где этот элемент вызвал разрывы хромосомы. Так как хромосома была разделена на две части, то элемент был назван диссоциациатором, или Ds. Поскольку он перемещался по хромосоме 9, это вызывало разрывы и инактивацию смежных генов. Когда управляющий элемент Ds перепрыгивал со своей позиции «отдыха» между генами 8 и 9 на позицию возле гена 4, последний выключался. Если позднее Ds перемещался на другую позицию, ген 4 восстанавливал свою функцию и снова происходил синтез соответстующего белка.

Должен был существовать и второй генетический элемент, названный активатором (Ас). Вместе Ds и Ас представляли собой двухкомпонентную систему, контролирующую деятельность гена. Мак-Клинток также выявила различные формы Ds, некоторое из них вызывали полную инактивацию гена, в то время как другие – только частичную. Роль элемента Ас была координирующей. Посылая сигнал Ds-элементам, Ас вызвал перемещение одного или нескольких таких элементов. Ас-элемент также существовал в различных формах. Некоторые из этих форм посылали сигналы на ранних стадиях развития зерна, в то время как другие вызвали транспозиции поздно. Тип Ас-элемента можно было определить, исследуя размер иначе окрашенных пятен на поверхности зерен.

Позднее Мак-Клинток показала области генетической нестабильности в других хромосомах кукурузы. И в этих случаях наблюдаемые феномены происходили благодаря генетическим элементам, перемещавшимся от одной хромосомы к другой.

Наиболее важные свойства управляющих элементов, открытых Мак-Клинток, таковы. Они ведут себя как обычные гены при генетическом скрещивании и могут быть локализованы в специфических регионах хромосом. Когда они перемещаются вдоль хромосомы или от одной хромосомы к другой, они инактивируют соседние гены. В некоторых случаях они также вызывают структурную нестабильность в сайтах интеграции, вызывая в них повышенную ломкость хромосом. Когда контролирующие элементы покидают какой-либо регион, прежде инактивированные гены восстанавливают свои нормальные функции. Управляющие элементы легко объединяются в группы. Внутри группы один элемент является главным элементом, или регулятором, сообщающим подчиненным элементам, или рецепторам, когда необходимо перемещаться. Действуя так, главный элемент регулирует время перемещения. Управляющие элементы могут пребывать в различных состояниях. Они могут быть частью регуляторных систем, состоящих из двух или более элементов. Они также могут быть независимыми, или автономными, элементами. Некоторые элементы программируют соседние гены на активность в более позднее время, которое может наступить и через несколько поколений клеток.

ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА

Эксперименты Мак-Клинток были проведены с большой тщательностью и интеллектуальной строгостью. Они показали целый мир ранее неизвестных явлений, но не получили признания ученых-современников. Возможно, причина в том, что Мак-Клинток публиковала свои результаты в малотиражных трудах своего института. Другая причина была в том, что она слишком опередила свое время. Ее главные результаты были опубликованы до того, как были открыты двойная спираль ДНК и генетический код. И, наконец, крайне важные в теоретическом отношении, ее результаты имели небольшую ценность для выращивания кукурузы.

В середине 1960-х годов подвижные элементы генома были найдены у бактерий и было показано, что они участвуют в передаче устойчивости к антибиотикам от одной бактерии к другой. Было также установлено, что такие элементы играют важную роль в способности одноклеточных паразитов (трипаносом), изменять свои поверхностные свойства и таким образом избегать иммунного ответа организма-хозяина. Рекомбинация сегментов ДНК оказалась существенным фактором способности лимфоидных клеток производить, по-видимому, бесконечное число различных антител к чужеродным веществам.

Только в 1970-е годы биологическое и медицинское значение подвижных элементов генома стало очевидным. Подобные элементы были найдены в микроорганизмах, у насекомых, животных и человека, и стали понятными их важные функции. Это дало новый взгляд на механизмы эволюции генов и позволило создать более динамичную картину организации и функций генов. У бактерий короткие сегменты ДНК, или /5-элементы, как оказалось, могут перемещаться от бактериальной хромосомы к меньшим молекулам ДНК, известным как плазмиды, или от одной плазмиды к другой. Эффект ее перемещения – инактивация генов. Гены, окруженные с обеих сторон 75-элементами становятся подвижными. Такой тип гена известен как транспозон, и он имеет большое значение для медицины. Часто эти структуры несут гены устойчивости к антибиотикам. Ген устойчивости к антибиотику может перескакивать с бактериальной хромосомы на плазмиду, используя транспозон в качестве вектора. Плазмида (R-фактор) может тогда быть принята чувствительной бактерией, которая становится устойчивой к антибиотику. Таким образом, сопротивление антибиотику может распространиться от одной бактерии к другой, затрудняя лечение. Распространение таких генов устойчивости от резистивных к чувствительным бактериям – серьезная проблема в лечении инфекционных болезней.