Текст книги "Узнай о своих генах. Азбука для небиологов"

* * *

В мае 1943 года Освальд Эвери написал письмо брату Рою, профессору микробиологии Университета Вандербильта в штате Теннесси, в котором высказал мнение о том, что «трансформирующий фактор» Фреда Гриффита состоит из ДНК. Вот что он писал:

«Если мы правы, а это еще не доказано, то это означает следующее: нуклеиновые кислоты важны не только с точки зрения структуры, это и функционально активные вещества, определяющие биохимическую активность и конкретные свойства клеток, а это значит, что с помощью известной химической субстанции можно вызывать предсказуемые и наследственные изменения в клетках. Ведь именно об этом так долго мечтали генетики. Похоже на вирус, но это может быть ГЕН».

Один из основных атрибутов научного исследования в любой области состоит в следующем: независимо от степени убедительности нового открытия оно должно пройти серьезные испытания и получить всестороннюю оценку, прежде чем его безоговорочно примет большинство научных сообществ и весь мир. Без этой критической проверки огромные усилия, средства и масса времени могут быть потрачены впустую. Учитывая эту реальность, которая уготована всем ученым в преддверии новых важных открытий, неудивительно, что заявление Эвери о том, что гены состоят из ДНК, было воспринято с большим предубеждением.

В первую очередь это объяснялось распространенным убеждением, что огромное разнообразие биохимических реакций в клетках, определяемых генами, несомненно, требует субстанции, существующей во многих формах, например, белков, которых в организме человека насчитывается около 20 тысяч. С другой стороны, бытовало мнение, что ДНК, состоящая в первую очередь всего из четырех повторяющихся химических соединений, называемых основаниями, а именно аденина (А), тимина (Т), гуанина (G) и цитозина (С), – это структура, которая не пригодна для предполагаемой роли генов, и ее иногда в шутку называли «скучной» молекулой.

Запоминать сами названия – аденин, тимин, гуанин и цитозин – необязательно. Однако будет нелишним запомнить буквы A, T, G и C. Они встретятся вам в книге много раз. Несмотря на укоренившееся мнение о том, что ДНК – это «скучная молекула», непригодная быть веществом, из которого состоят гены, многие подвергали сомнению (вопреки героическим усилиям Эвери выделить абсолютно чистую ДНК) утверждение о том, что конечный продукт выделения полностью свободен от белка. Один влиятельный биолог написал в письме коллеге: «Вряд ли тот, кто очистил ДНК, сомневается в том, что даже в лучших препаратах остаются следы белка, и 1 или 2 % белка могут содержаться в препарате «чистой, свободной от белка» нуклеиновой кислоты». Критики утверждали, что микроскопические количества материала, очищенного Эвери и его коллегами, которое работало в их системе, могло содержать миллионы молекул белка, хотя Эвери неоднократно показывал, что никаких следов белка в очищенном материале, вызывающем трансформацию, не обнаруживается. «Эвери хотел доказать отрицательный результат и показать, что его очищенные экстракты полностью свободны от белков, а это невозможно», – высказался один историк естествознания.

* * *

Однако не все научные сообщества были столь скептически настроены по отношению к открытию Эвери. Авторитетный научный журнал Nature писал о его работе в восторженном тоне, да и многие ученые давали хвалебные отзывы. В октябре 1944 года Медицинская академия Нью-Йорка наградила Эвери золотой медалью. Годом позже Лондонское королевское общество удостоило его экспериментальные достижения медалью Копли, а в 1947 году Эвери наградили премией Альберта Ласкера за фундаментальные медицинские исследования. Несколько раз Эвери номинировали на Нобелевскую премию, но он так и не получил заветную награду. Говорят, что Арне Тиселиус, шведский биохимик и лауреат Нобелевской премии 1948 года, назвал Освальда Эвери самым заслуженным ученым, так и не получившим Нобелевскую премию! А Сиддхартха Мукерджи в своей книге «Ген. Сокровенная история» написал, что Эвери не получил премию, потому что «Эйнар Хаммарстен, влиятельный шведский химик, отказывался верить тому, что ДНК может нести генетическую информацию».

После заявления Эвери о том, что гены состоят из ДНК, два ученых, Алфред (Ал) Херши (рис. 3.3) и Марта Чейз (рис. 3.4) провели эксперимент, который подтвердил его точку зрения. Ал Херши родился в Овоссо, штат Мичиган. В 1930 году он закончил Мичиганский государственный университет, став бакалавром естественных наук, а в 1934 году получил степень доктора бактериологии. Потом он приступил к работе в Школе медицины при Университете Вашингтона в Сиэтле, где исследовал вирусы, которые заражают бактерии; эти вирусы получили название «бактериофаги» или просто «фаги». Бактериофаги – это крошечные организмы, намного мельче бактерий, состоящие только из ДНК с компонентами генов фагов, окруженные белковой оболочкой. Долгие годы бактериофаги были важным источником информации о генах. Многие докторские диссертации в области биологических наук появились на свет в результате исследования этих бактериальных вирусов.

Марта Чейз родилась в 1927 году в Кливленде, штат Огайо. В 1950 году она получила степень бакалавра Вустерского колледжа – частного колледжа свободных наук в Вустере, штат Огайо, известного своим уклоном в студенческие исследования. Потом Чейз работала с Херши в качестве научного сотрудника в лаборатории Колд-Спринг-Харбор – престижном научно-исследовательском заведении в окрестностях Нью-Йорка. Хотя в 1964 году Чейз получила степень доктора философии в Университете Южной Калифорнии, в 60-е годы из-за целого ряда личных неурядиц научная карьера Марты Чейз оборвалась. Не одно десятилетие она страдала формой деменции, в результате которой потеряла кратковременную память, и в 2003 году умерла в возрасте 75 лет.

Рис. 3.3. Алфред Херши

Рис. 3.4. Марта Чейз

«Ее имя будут всегда связывать с тем экспериментом, поэтому она своего рода памятник», – сказал Вацлав Шибальский – ее давний коллега и друг, который познакомился с Мартой Чейз, когда в 1951 году приступил к работе в лаборатории Колд-Спринг-Харбор. Шибальский присутствовал на первой презентации эксперимента Херши – Чейз для сотрудников лаборатории и был под таким впечатлением, что в тот же вечер пригласил Чейз на ужин и на танцы. «У меня сложилось впечатление, что она не понимала, какую важную работу проделала. Однако думаю, что в тот вечер я сумел ее в этом убедить», – говорил Шибальский. «Раньше она считала себя всего лишь техническим сотрудником с маленькой зарплатой. На самом же деле ее вклад в экспериментальную часть работы неоценим».

В 1952 году Херши и Чейз провели блестящий эксперимент для поддержки точки зрения Освальда Эвери, что гены состоят не из белка, а из ДНК. Не огорчайтесь, если от вас ускользает логика этого эксперимента. Это один из многих экспериментов, описанных в настоящей книге, которые включены главным образом для демонстрации того, как исследователи в области геномики искали экспериментальное доказательство своим идеям и гипотезам, которые будоражили лучшие лучшие научные умы того времени.

* * *

В 1952 году уже было известно, что в ДНК, в частности в ДНК бактериофагов, присутствует такое вещество, как фосфор, но он не был найден в их белковой оболочке. Херши и Чейз узнали, что в белковой оболочке фагов содержится другое вещество, сера, а в ДНК, напротив, ее нет. Обладая этой информацией, Херши и Чейз пометили ДНК фагов радиоактивным фосфором и независимо пометили белковое покрытие другой группы фагов радиоактивной серой. Две партии меченых фагов смешали, затем дали им возможность инфицировать бактерии.

При инфицировании бактерий фаги теряют свою белковую оболочку и синтезируются новые копии ДНК, несущие гены, которые кодируют белки фагов. Таким образом, генерируются новые фаги. В конечном итоге фаги взрывают своих бактериальных хозяев и отправляются на поиски новых бактерий – жертв инфицирования. Херши и Чейз заметили, что фаги – потомки помеченных фосфором в своей ДНК по-прежнему содержали этот радиоактивный материал. Однако потомки фагов, оболочки которых были помечены серой, не были радиоактивными. Короче говоря, Херши и Чейз таким образом установили, что именно гены в ДНК фагов, а не белки фагов, важны для получения новых фагов. Со временем благодаря этим и последующим экспериментам, проведенным другими учеными, не осталось никаких сомнений в том, что гены состоят из ДНК. В 1969 году Алберт Херши получил Нобелевскую премию. Логично предположить, что многие женщины-биологи до сих пор недоумевают, почему же Марта Чейз не удостоилась такой же награды!

Глава 4
Структура ДНК

Чтобы понять гены и их роль в синтезе белков, важно понять структуру ДНК, которую в 1953 году описали американский ученый Джеймс Уотсон (в научном сообществе его знают под именем Джим) и его английский коллега Фрэнсис Крик. Думаю, вам известны эти легендарные имена лауреатов Нобелевской премии 1962 года. Описание структуры ДНК Уотсоном и Криком многие считают самым выдающимся и значимым открытием в области биологии.

Джим Уотсон родился в 1928 году в Чикаго в штате Иллинойс и в 1947 году получил степень бакалавра в области зоологии. Подростком он любил наблюдать за птицами и мог стать орнитологом, но в конечном итоге решил, что хочет изучать генетику. Уотсон получил стипендию для обучения в аспирантуре Университета Индианы, где ему довелось познакомиться с видными экспертами по геномике и молекулярной биологии того времени, работы которых произвели на него неизгладимое впечатление.

Получив по окончании аспирантуры в Копенгагене в 1950 году степень доктора философии, Уотсон решил посвятить год исследованиям биологии бактериофагов – крошечных вирусов, заражающих бактерии, уже упомянутых ранее. За эту работу он получил после аспирантуры финансовую поддержку для практики на год от одного американского агентства. В течение этого года Уотсон побывал на научной конференции в Неаполе в Италии. Во время одной из научных презентаций на этой конференции английский ученый Морис Уилкинс представил рентгеновский снимок модели ДНК, полученный с помощью техники рентгеновской кристаллографии, хорошо известной физхимикам для определения трехмерной структуры биологических соединений. Фотография Уилкинса потрясла Уотсона. «Меня не волновало то, что я не в состоянии ее интерпретировать, – писал он позже. – Куда приятнее представить себя известным, чем превратиться в сухаря от науки, который за всю жизнь не позволил себе смелой мысли». Понимая, что определение структуры ДНК может выявить ключевую информацию о генах, Уотсон принял решение переключиться на новую научную тему, оставив работу, которой занимался в Копенгагене.

Рис. 4.1. Фрэнсис Крик

Рис. 4.2. Джеймс Уотсон

Как правило, агентства-спонсоры не одобряют ученых, которые подобным образом резко меняют направление работы по утвержденной программе и выражают желание уйти в другую лабораторию. Однако Уотсон проявил завидное упорство и получил поддержку от своих кураторов в Америке и Копенгагене, в результате чего агентство-спонсор разрешило ему выбрать новую тему исследования. Уотсон переместился в британскую лабораторию в Кавендише, где ему предстояло постичь азы рентгеноструктурного анализа и заняться изучением структуры ДНК. В Кавендише 23-летний Уотсон познакомился с Фрэнсисом Криком, 35-летним блестящим физиком-теоретиком и знатоком рентгеновской кристаллографии. После нескольких неудачных попыток в 1953 году Уотсон и Крик сумели получить модель структуры ДНК, которая оказалась верной и в высшей степени информативной для понимания ее биологических свойств.

* * *

В 1968 году Уотсон опубликовал впечатляющий отчет об этом революционном открытии в биологии в своей книге «Двойная спираль» (“The Double Helix – A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA”[1]1
  На русском языке книга Джеймса Уотсона вышла под названием «Двойная спираль. Воспоминания об открытии структуры ДНК» (пер. с англ. Брухнов М., Иорданский А.). М.: Мир, 1969. – Прим. ред.


[Закрыть]). Чуть позже в этой главе я объясню, откуда взялось название «двойная спираль».

Если вас заинтересует этот плодотворный период в истории науки, когда Уотсон и Крик искали структуру ДНК, переживали успехи и неудачи в исследованиях, а также другие ключевые имена из лаборатории Кавендиша и других ведущих научных центров Лондона, настоятельно рекомендую прочитать «Двойную спираль» Уотсона. Эта книга, переведенная на многие языки мира, стала бестселлером (было продано более миллиона экземпляров). В 1998 году Modern Library, популярное американское издательство классики, хроники, научных монографий и переводных изданий, поместило «Двойную спираль» под номером семь в список из сотни лучших нехудожественных книг XX столетия. А в 2012 году Библиотека Конгресса назвала «Двойную спираль» одной из «88 книг, которые формировали Америку».

Мало кто знает о том, что поначалу Фрэнсис Крик был ярым противником издания «Двойной спирали». Уотсон описывал в ней многие странности известных научных умов, вовлеченных в работу над этим открытием, в том числе и самого Крика! Например, «Двойная спираль» открывается вот таким предложением: «Должен признать, что мне так и не довелось увидеть Фрэнсиса Крика в сдержанном настроении».

В 2003 году Уотсон предложил мне написать книгу о его литературном творчестве; это одна из моих любимых книг, которая открыла мне доступ к его личным документам и позволила взять у него несколько интервью. Книга, вышедшая под названием «Жизнь Джеймса Д. Уотсона как писателя» (“The Writing Life of James D. Watson”), раскрывает среди всего прочего подробности конфликта, вспыхнувшего между Уотсоном и Криком прежде, чем Крик с неохотой уступил упорному желанию Уотсона опубликовать свою «Двойную спираль».

Кроме Уотсона и Крика над определением структуры ДНК независимо друг от друга работали и другие ученые в Лондоне, в том числе Морис Уилкинс (в 1962 году он вместе с Уотсоном и Криком получил Нобелевскую премию), а также Розалинд Франклин, которую Уотсон однажды охарактеризовал как «воинствующую эмоциональную даму, которая не в состоянии интерпретировать даже собственные данные». В 2002 году биографию Розалинд Франклин опубликовала историк естествознания Бренда Мэддокс (через сорок с лишним лет после ее преждевременной смерти в 1958 году); еще одна книга, которую стоит прочитать – «Розалинд Франклин – загадочная леди ДНК»[2]2
  Книга Brenda Maddox “Rosalind Franklin: The Dark Lady of DNA”” (New York: Harper Collins, 2002) на русском языке не издавалась. – Прим. ред.


[Закрыть].

В более поздние годы Уотсон (в момент написания этой книги ему было 89 лет) был весьма популярной личностью с явной склонностью высказывать свое мнение на любую тему, причем суждения его зачастую бывали далеко не лестными. Одним словом, вырисовывается портрет весьма интересной личности! Неудивительно, что многие историки естествознания (включая автора этих строк) мечтали задокументировать его жизнь. А достался этот лакомый литературный кусок (равно как и серьезный вызов) Бренде Мэддокс. Говорят, эта долгожданная биография Уотсона скоро выйдет в свет.

Уотсон был плодотворным автором. Кроме «Двойной спирали» он выпустил многократные издания основного учебника по молекулярной биологии, а также следующие книги: «Страсть к ДНК», «ДНК – тайна жизни», «Избегайте скучных людей», ну и недавнюю его новинку «ДНК – история генетической революции».

После возвращения из Англии Уотсон поступил на кафедру биологии Гарвардского университета. В 1976 году он переместился в упомянутую выше лабораторию Колд-Спринг-Харбор. В 1968 году он стал директором этого учреждения, значительно увеличив его финансирование на научные исследования и подняв Колд-Спринг-Харбор на уровень одной из ведущих биологических лабораторий в мире. В настоящее время он живет при лаборатории Колд-Спринг-Харбор со своей супругой Элизабет (Лиз), писательницей, издавшей в соавторстве с мужем книгу об архитектуре лаборатории Колд-Спринг-Харбор под названием «Дома для науки».

* * *

Фрэнсис Гарри Комптон Крик родился в 1916 году в Англии в Нортгэмптоне и учился в местной гимназии и школе Милл-Хилл в Лондоне. Изучал физику в Университетском колледже в Лондоне и готовился к получению докторской степени, но исследования прервала Вторая мировая война. Во время войны Крик работал как ученый в Военно-морском министерстве Великобритании. Потом он посещал Кембриджский университет и в 1954 году получил степень доктора (Ph.D.) – через год после плодотворной работы с Уотсоном над структурой ДНК. После триумфального сотрудничества с Уотсоном Крик начал исследовать генетический код, о котором речь пойдет дальше. Впоследствии Крик стал работать в Институте биологических исследований Солка в Ла-Хойья в штате Калифорния, где занимался нейробиологией (нервной системой) и исследовал главным образом мозг – орган, который вызывает постоянный огромный интерес среди лучших научных умов и сокровенные тайны которого еще предстоит открыть. Кстати, одно время семья Крик жила в доме, который называли «Золотой спиралью»! Крик скончался в 2004 году.

В 2016 году в Лондоне открылся Научно-исследовательский институт Фрэнсиса Крика. В момент написания этих строк планируется объединить в Институте 1500 исследователей, технических сотрудников и административных работников, в том числе 1250 ученых с годовым бюджетом более 100 млн фунтов, и сделать его крупнейшей самостоятельной биомедицинской лабораторией в Европе – отличный памятник одному из наиболее видных исследователей биологии XX и XXI вв.

* * *

А теперь поговорим подробнее о структуре ДНК. Молекулы ДНК состоят из двух антипараллельных цепочек (сейчас я объясню эту конфигурацию), или нитей, как их называют, одинаковой длины, расположенных рядом, представляющих собой правостороннюю спиральную конформацию (рис. 4.3, правая панель), отсюда и название книги Уотсона «Двойная спираль»).

Рис. 4.3. Структура ДНК. Обе части рисунка иллюстрируют структуру ДНК. Диаграммы показывают две спиральные нити (двойную спираль) ДНК, составляющие молекулу ДНК. Обратите внимание на то, что основание аденин (А)) находится всегда в паре с основанием тимин (Т), а основание гуанин (G)) – всегда в паре с основанием цитозин (С). Эти основания химически связаны с сахарофосфатным остовом (см. верхнее изображение). Две нити ДНК расположены антипараллельно, таким образом, «верхний конец» одной нити ДНК соотносится с «нижним концом» другой нити ДНК. Это хорошо видно на нижнем рисунке, на котором зеленые пятиугольники (они представляют сахар дезоксирибозу) в двух нитях смотрят в противоположные стороны. Чтобы представить себе антипараллельное расположение, достаточно посмотреть на две столовые вилки одного размера, лежащие рядом, но смотрящие в противоположные стороны (антипараллельно). Вы заметите, что ширина двух вилок идентична по всей длине. Но, если вилки смотрят в одну и ту же сторону (параллельно), их ширина не равномерна. На левой панели нижнего рисунка также видно, что в ДНК основания существуют как единицы, называемые нуклеотидами, состоящими из основы, соединенной с молекулой сахара (дезоксирибозой) и фосфата

Длина двух нитей ДНК зависит от гена. Каждая спираль состоит из четырех упомянутых ранее оснований A, T, G и C, которые крепятся к сахарофосфатному остову. Эти четыре основания в нити ДНК могут располагаться в любом порядке. Однако для каждого конкретного гена порядок этот уникален. Именно число и порядок оснований в двух нитях ДНК и отличают один ген от другого. Нет двух генов, состоящих из одинакового числа оснований, расположенных в одинаковом порядке.

Организация двух нитей ДНК такова, что основание А в одной нити ДНК всегда спарено с основанием Т в противоположной нити, а основание G всегда спарено с основанием С. Например, если одна из нитей ДНК содержит последовательность нуклеотидов

ATCTGTTTTACGC,

в противоположной нити ДНК всегда будет последовательность

TTTAAGACAATGCG.

Каждую отдельную пару оснований на противоположных нитях ДНК (например А—Т или G—С) называют парой оснований. Ширина пары основания А—Т и G—С идентична. Будь это не так, ширина молекулы ДНК менялась бы случайным образом от одного основания к другому. Представьте себе, какой шаткой будет лестница, если у нее все ступени разной ширины. Это и объясняет, почему основание А всегда напротив основания Т в другой нити, а основание С всегда напротив основания G в другой нити.

У вас может возникнуть вопрос, сколько же всего пар оснований (А—Т и G—С) входит в целый геном человека. Представьте себе: 3,3 миллиарда, из которых всего 2 % непосредственно кодируют белки. Из остальных пар около 25 % составляют другие гены и их регуляторные элементы. Хотите верьте, хотите нет, но в 2018 году, через 65 лет после описания структуры ДНК Уотсоном и Криком, функции (функция) остальных оснований по-прежнему неизвестны. Высказывают предположение, что некоторая их часть может быть лишней информацией, доставшейся нам от эволюционного прошлого.