Текст книги "От атомов к древу: Введение в современную науку о жизни"

Между тем гигантский маховик под названием “развитие научных представлений” продолжал проворачиваться. В 1926 году американский генетик Герман Мёллер открыл радиационный мутагенез, то есть повышение частоты генетических мутаций под действием электромагнитных лучей, в данном случае – рентгеновских. Если попадание кванта рентгеновского излучения может изменить структуру гена, значит, ген – это молекула? А если молекула, то должна же у нее быть какая-то химическая формула! И таким образом, вопрос о химической природе наследственного вещества вновь встал на повестку дня.

В начале 1930-х практически все биологи, задававшиеся этим вопросом, считали, что гены – это белки. Почему? Во-первых, к тому времени уже все знали, что белки химически гораздо разнообразнее: в них входит 20 разных типов мономеров, а в составе ДНК – всего четыре типа. Во-вторых, биохимики, изучавшие ДНК в первой трети XX века, наряду со множеством полезных открытий допустили одну простительную, но тем не менее очень серьезную неточность. Они решили, что четыре типа нуклеотидов (адениновый, гуаниновый, тиминовый и цитозиновый) входят в состав ДНК в строго равных концентрациях:

[А] = [Т] = [Г] = [Ц]

Самое логичное объяснение этих данных выглядело так: ДНК, какой бы длины она ни была, должна состоять из одинаковых четырехнуклеотидных блоков, в каждом из которых есть по одному “А”, по одному “Т”, по одному “Г” и по одному “Ц”. Представить, что такой однообразный полимер каким-то образом хранит информацию, было невозможно. Приходилось считать, что ДНК – рядовой участник обмена веществ, разве что специфичный почему-то именно для клеточных ядер.

Впрочем, мнения и тогда бывали разные. В 1933 году работавший в США хорватский биолог Милислав Демерец опубликовал буквально витавшую к тому времени в воздухе гипотезу, что любой ген – это молекула{51}51
  Demerec M. What is a gene? // Journal of Heredity, 1933, V. 24, № 10, 369–378.


[Закрыть]. Пусть и большая молекула, но одна-единственная. Тогда генетическая мутация – просто изменение взаимного расположения атомов в этой молекуле. А в качестве примера того, из чего такая молекула могла бы состоять, Демерец привел не что иное, как схему гипотетического четырехнуклеотидного блока ДНК! Биология опять почти нащупала материальный носитель наследственности – и опять отступила (правда, теперь уже ненадолго). На этот раз биологов подвела химия. Структура нуклеиновых кислот была все-таки еще слишком плохо известна. К примеру, на предложенной Демерцом формуле ДНК значилась гликозидная связь между остатками сахара (см. главу 6), чего на самом деле ни в каких нуклеиновых кислотах не бывает.

Тут самое время вспомнить замечательного русского биолога Николая Константиновича Кольцова, занимавшего в интересующие нас годы должность директора Института экспериментальной биологии в Москве, на улице Воронцово Поле, что у Яузского бульвара. Кольцов – фигура ярчайшая, о его роли в нашей биологии написано немало статей и книг. Сейчас достаточно сказать, что он одним из первых задумался не только о химической основе наследственных качеств, но и о молекулярном механизме их передачи и тут сумел во многом, что называется, опередить свое время (см. главу 3). В 1935 году Кольцов опубликовал следующую гипотезу: ген – это участок очень длинной белковой цепочки, возможно состоящей из тысяч или десятков тысяч аминокислот, чередованием которых, собственно, и кодируется генетическая информация. Забегая вперед, сообщим, что если бы Кольцов заменил белок на ДНК, а аминокислоты на нуклеотиды, то он бы оказался попросту абсолютно прав. К сожалению, такого чуда не случилось. В тех же самых статьях Кольцов убежденно возражает Демерцу: ДНК – “сравнительно простое органическое соединение, которому было бы странно приписывать роль носителя наследственных свойств”. То ли дело белки! Приведем сокращенную цитату:

“Некоторые цитологи придают нуклеиновой кислоте особо важное значение. Так, Демерец считает, что все гены являются лишь вариантами или даже просто изомерами нуклеиновой кислоты. Я никак не могу с этим согласиться, так как молекулярная структура нуклеиновой кислоты слишком проста и однородна. Ведь это, прежде всего, не белковая молекула. У всех животных и растений нуклеиновая кислота одинакова или почти одинакова: думать о миллионах изомеров этой молекулы не приходится. Я считаю поэтому, что нуклеиновая кислота никакого отношения к генам не имеет”.

Поясним, что цитология – это область биологии, изучающая строение клетки. А мысль о том, что все гены являются изомерами нуклеиновой кислоты, не только красива, но и, как мы сейчас понимаем, по сути абсолютно верна. В данном случае Кольцов попал пальцем в небо из-за того, что слишком доверился биохимикам. А последние как раз в те годы стали почему-то склоняться к мнению, что ДНК – вообще не полимер, а совсем небольшая молекула, состоящая всего-то из четырех нуклеотидов (те самые “А”, “Т”, “Г” и “Ц”). Просто в ядре таких молекул очень много, вот и получается большая масса. Сам Кольцов не был биохимиком, поэтому не мог оценить, насколько эти данные надежны или ненадежны. Если бы он отважился допустить, что его открытая “на кончике пера” молекула наследственности не состоящий из тысяч аминокислот белок, а состоящая из тысяч нуклеотидов ДНК, это могло бы изменить всю мировую биологию. Но, насколько можно судить, Кольцову такое в голову не пришло. И никому другому в 1930-е годы – тем более.

Полемика Кольцова и Демерца хорошо показывает, сколь непрямыми путями обычно идет научная мысль. Две идеи, каждая из которых в отдельности была совершенно верна, столкнулись и разошлись. Слияния не произошло. Хотя ждать его оставалось уже совсем недолго.

В 1944 году американский биолог Освальд Эвери экспериментально показал, что ДНК, и только ДНК может вызвать трансформацию одной разновидности бактерий в другую – в данном случае безопасного штамма пневмококка в болезнетворный, вызывающий инфекционное воспаление легких{52}52
  Avery O. T., MacLeod C. M., McCarty M. Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of Pneumococcal types // Journal of Experimental Medicine, 1944, V. 79, № 2, 137–158.


[Закрыть]. Вот этот момент и следует считать открытием генетической роли ДНК (см. рис. 8.2).

Освальд Эвери на протяжении всей своей научной карьеры, больше 40 лет, занимался только пневмококками – бактериями, которые вызывают пневмонию. Тут надо сказать, что ему невероятно повезло с объектом. Сам факт, что некая таинственная “растворимая субстанция” может передаваться от одной бактерии к другой и навсегда менять наследственные свойства бактерии-реципиента, был открыт именно на пневмококках еще в 1920-х годах. Но вот ответ на вопрос, что это за субстанция такая, требовал очень тонких, технически сложных биохимических опытов, поставить которые долгое время никто не мог. Эвери стал первым. Он многие годы работал над этой темой, продолжил работу несмотря на то, что уже вышел в официальную отставку по возрасту, и добился-таки успеха (в момент выхода главной статьи ему было 67 лет).

На самом деле поворотная точка была пройдена в марте 1943 года, когда Эвери прочитал перед попечителями Рокфеллеровского фонда небольшой доклад, завершавшийся однозначным выводом: субстанция, способная вызывать стойкую трансформацию бактерий, – это ДНК. Задержка выхода статьи на год объясняется в основном тем, что с ее подачей медлили, обдумывая каждое слово. Эвери и его сотрудники прекрасно понимали, насколько важный результат они получили.

В том же 1944 году австралиец Фрэнк Макфарлейн Бёрнет опубликовал ключевой тезис: ДНК ведет себя так, как будто гены именно из нее и состоят. После работы Эвери этот вывод вроде бы напрашивался, так что выяснение приоритета тут выглядит похожим на знаменитый спор о том, кто первым сказал “э”. Но на самом деле все было не так просто. Очень многие крупные биологи и после 1944 года все еще по инерции держались за убеждение, что гены состоят из белка, а ДНК – в лучшем случае всего лишь мутагенное вещество (правда, вызывающее какие-то уж очень странные предсказуемые мутации). Именно так поначалу решил, например, знаменитый генетик Феодосий Добржанский. Сам Эвери, насколько можно судить, колебался. И вообще, без споров не обошлось. Бёрнет – между прочим, выдающийся вирусолог и иммунолог, впоследствии совсем за другие заслуги получивший Нобелевскую премию, – оказался смелее большинства мэтров.

Так или иначе, теперь все убедились, что во всяком случае какое-то отношение к генетической информации ДНК имеет точно. Цель была определена, и охота началась.

Результаты Эвери (которые вскоре были подтверждены и в других лабораториях) оживили угасший было интерес биохимиков к нуклеиновым кислотам. Во второй половине 1940-х годов эта тема пережила своего рода возрождение. Эрвин Чаргафф, высококвалифицированный биохимик европейской школы, довольно быстро опроверг сбивавшую всех с толку старую “тетрануклеотидную теорию”, согласно которой ДНК должна состоять из одинаковых блоков по четыре нуклеотида. Как мы помним, эта теория исходила из того, что четыре азотистых основания присутствуют в ДНК в равных количествах. Чаргафф провел точные измерения, показавшие, что это неверно. На самом деле количество аденина строго равно количеству тимина, а количество гуанина строго равно количеству цитозина:

[А] = [Т]

[Г] = [Ц]

Эти соотношения называются правилами Чаргаффа. Отношение [А+Т]/[Г+Ц] константой как раз не является и может отличаться у разных организмов. А вот правила Чаргаффа соблюдаются всегда. Что же это может означать? Никаких четырехнуклеотидных блоков в составе ДНК нет, иначе соотношения совершенно точно были бы иными. Но почему бы там не быть не четверкам, а парам? Правила Чаргаффа легче всего объяснить, предположив, что нуклеотиды входят в ДНК в составе пар: или АТ, или ГЦ.

В этом месте полезно вспомнить, что, собственно говоря, означают буквы А, Т, Г и Ц. Аденин (А) и гуанин (Г) – это пуриновые азотистые основания, а цитозин (Ц) и тимин (Т) – пиримидиновые. И мы тут же получаем вытекающее из правил Чаргаффа важнейшее утверждение: в одной и той же молекуле ДНК общее количество пуриновых оснований (А и Г) всегда строго равно общему количеству пиримидиновых (Т и Ц). В этом плане предполагаемые пары АТ и ГЦ устроены одинаково: в каждой паре одно основание пуриновое, другое – пиримидиновое.

Оставалось сделать последний шаг: установить трехмерную структуру молекулы ДНК, решив задачу из области науки, которая называется стереохимия.

Пытаясь разобраться в устройстве ДНК, американец Джеймс Уотсон и англичанин Фрэнсис Крик увидели, что возникающие между азотистыми основаниями водородные связи делают пары аденин-тимин и гуанин-цитозин фактически идентичными друг другу по общей форме. И там и там возникает одна и та же легко узнаваемая структура из трех колец (см. рис. 8.3А).

У Уотсона и Крика получилось, что между аденином и тимином должны образоваться две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три. Поэтому пара ГЦ должна быть прочнее, чем пара АТ (сейчас мы знаем, что это действительно так). Зато в обеих парах – один пурин и один пиримидин, как и ожидалось.

Надо заметить, что решить эту задачу Уотсону и Крику удалось не с первого раза. Помните, мы говорили, что у азотистых оснований бывают две изомерные формы – спиртовая и кетонная (см. главу 7)? Так вот, в учебниках биохимии 1940-х годов чаще всего изображалась только спиртовая форма. Уотсон и Крик исходили именно из нее, и ничего собрать у них не получалось, пока профессиональный химик Джерри Донохью не объяснил им, что это бесполезное занятие: в физиологических условиях азотистые основания всегда находятся не в спиртовой форме, а в кето-форме! Ни Уотсон, ни Крик химиками вообще-то не были, так что эта помощь оказалась драгоценной.

Но теперь у них получилась модель молекулы, идеально соответствовавшая правилам Чаргаффа. С самим Чаргаффом, кстати говоря, у Уотсона и Крика общение не сложилось – тот счел их дилетантами, с которыми и разговаривать-то серьезно не стоит. “Презрение Чаргаффа к нам достигло предела, когда Фрэнсис вынужден был признаться, что не помнит химических различий между четырьмя азотистыми основаниями”, – писал потом Уотсон. Но это было уже неважно.

Осталось сопоставить полученную модель с данными рентгеноструктурного анализа, дававшего размытые и нечеткие, но все-таки снимки молекул ДНК в рентгеновских лучах. К счастью, по соседству с Уотсоном и Криком работали сильные рентгеноструктурщики – Морис Уилкинс и Розалинд Франклин. Забегая вперед, надо сказать, что через несколько лет Уилкинс получил вместе с Уотсоном и Криком Нобелевскую премию, а Франклин, к сожалению, нет, потому что безвременно умерла от рака.

В итоге Уотсон и Крик собрали (в самом буквальном смысле, из проволоки и жести) модель молекулы ДНК, полностью отвечавшую как биохимическим, так и рентгеноструктурным данным (см. рис. 8.3Б). Оказалось, что молекула состоит из двух цепочек. И против любого основания в одной цепочке должно стоять дополнительное к нему (комплементарное) основание в другой: против аденина – тимин, против тимина – аденин, против гуанина – цитозин и против цитозина – гуанин. Причем эти цепочки должны быть антипараллельны, то есть противоположно направлены. Вот здесь нам как раз пригодится усвоенное в начале этой главы представление о 5'-конце и 3'-конце цепочки нуклеиновой кислоты. У двух цепочек, образующих молекулу ДНК, эти концы всегда направлены в противоположные стороны. С параллельными цепочками модель не собиралась, антипараллельность неожиданно оказалась совершенно обязательным условием. Никаких ковалентных связей между двумя цепочками ДНК нет – только водородные. Так что формально это две отдельные молекулы, их просто традиционно принято считать за одну.

В трехмерном пространстве изученная Уотсоном и Криком молекула ДНК имеет форму двойной спирали, напоминающую двойной штопор (такие редко, но встречаются). Если ее раскрутить, то к каждой из двух цепочек можно будет автоматически достроить комплементарную – конечно, при наличии в окружающем растворе нужных мономеров-нуклеотидов. Стереохимия азотистых оснований просто не допустит другого варианта: к аденину может пристроиться только тимин, к гуанину – только цитозин и так далее. А это означает, что Уотсон и Крик открыли не более и не менее как механизм копирования наследственной информации.

В свете этого осознания авторский комментарий, сделанный Уотсоном и Криком в их знаменитой статье 1953 года, воистину выглядит шедевром скромности. Там сказано:

“It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests possible copying mechanism for the genetic material”.

(В переводе: “От нашего внимания не ускользнуло то, что постулированное нами специфическое спаривание немедленно предполагает возможный механизм копирования генетического материала”{53}53
  Watson J. D., Crick F. H. Molecular structure of nucleic acids // Nature, 1953, V. 171, 737–738.


[Закрыть].)

По существу, задача была решена в тот момент, когда удалось установить одинаковую форму пар АТ и ГЦ. Именно в этот день Фрэнсис Крик принялся рассказывать всем подряд в кембриджском пабе “Орел”, что они с коллегой только что раскрыли секрет жизни (отчего даже Уотсону, никогда не страдавшему избытком скромности, стало не по себе). Но и в самом деле, собрать правильную трехмерную модель ДНК после этого оказалось делом техники.

Вся эта история отлично показывает, насколько коллективным процессом является наука. Уотсон и Крик при всем их огромном таланте были еще и необычайно удачливы: в их распоряжении оказалось готовое полное условие задачи, которую оставалось только решить. Например, их модель двойной спирали была бы невозможна без результатов биохимического анализа Чаргаффа и равным образом – без рентгенограмм Уилкинса и Франклин. Причем получить все это самостоятельно Уотсон и Крик не могли – у них просто не было такой профессиональной подготовки. А Чаргафф, в свою очередь, работал на основе старой “тетрануклеотидной теории”, хоть и опроверг ее. Двигаясь таким образом вспять по цепочке ученых, каждый из которых делал возможной работу следующего, мы получим некий причудливый граф, где Уотсон и Крик будут располагаться в одной из вершин. Впрочем, о чем-то подобном писал еще в XII веке Бернар Шартрский: “Мы подобны карликам, усевшимся на плечах великанов; мы видим больше и дальше, чем они, не потому, что обладаем лучшим зрением, и не потому, что выше их, но потому, что они нас подняли и увеличили наш рост собственным величием”.

Самое главное в двойной спирали ДНК не то, что она спираль, а то, что она двойная. Теоретически двойная цепь ДНК вполне могла бы быть и линейной, как застежка-молния, без всякой спиральности. На ее свойства как носителя информации это нисколько не повлияло бы. Спиральная конформация энергетически выгоднее по чисто химическим причинам, из-за углов между ковалентными связями. Но тут химия неожиданно совпала с эстетикой: двойная спираль просто красива. Неудивительно, что она быстро стала широко известным символом глубинного механизма жизни.

Теперь самое время прояснить вопрос: в чем же смысл химических отличий между ДНК и РНК?

Прежде всего напомним, что главное из этих отличий выражено в самом названии: в состав РНК входит рибоза, а в состав ДНК – дезоксирибоза. Добавив к этому факту кое-что еще, мы получим следующую картину:

• РНК гораздо легче синтезируется, потому что реакция синтеза дезоксирибозы требует более сложных ферментных систем, чем реакция синтеза рибозы;

• ликвидация 2'-гидроксильной группы (той самой, которой дезоксирибоза лишена) резко уменьшает химическую активность нуклеиновой кислоты, и в том числе ее подверженность спонтанному распаду с участием воды;

• ДНК редко бывает одноцепочечной (только у некоторых вирусов), а в двуцепочечной форме она очень устойчива из-за огромного количества водородных связей и – дополнительно – из-за гидрофобного взаимодействия между множеством налегающих друг на друга плоских колец азотистых оснований.

Создается явное впечатление, что ДНК была “специально придумана” природой как долговременное надежное хранилище информации.

Есть и еще одно важное отличие. В 1980-х годах было обнаружено, что некоторые РНК способны вести себя как ферменты, катализируя определенные химические реакции (например, разрезание или синтез других РНК). Такие РНКовые аналоги ферментов называются рибозимами. Эта способность вовсе не является редкостью, она не требует большой длины РНК или какой-то уникальной нуклеотидной последовательности. Рибозимы часто бывают длиной в 100–200 нуклеотидов или меньше. Самый маленький известный рибозим имел длину всего 13 нуклеотидов{54}54
  Jeffries A. C., Symons R. H. A catalytic 13-mer ribozyme // Nucleic Acids Research, 1989, V. 17, № 4, 1371–1377.


[Закрыть]. Это означает, что химическая эволюция могла создать рибозимы очень легко. Даже при совершенно случайном переборе последовательностей РНК какие-нибудь рибозимы обязательно появятся, причем довольно быстро.

У ДНК же каталитическая способность резко ослаблена все той же потерей 2'-гидроксильной группы. Таким образом предотвращается, например, случайное возникновение саморазрезающихся рибозимов – в РНК бывает даже такое. Живым организмам совершенно не нужна каталитическая способность ДНК. Наоборот, чем она инертнее, тем лучше. Для редактирования генетической информации есть другие молекулы. А ДНК должна ее просто хранить.

Открытие рибозимов сразу вызвало к жизни так называемую гипотезу РНК-мира. Сторонники этой гипотезы считают, что первоначально живые системы состояли в основном из разнообразных молекул РНК. Эти молекулы РНК служили и носителями информации, и катализаторами всевозможных химических реакций. И только потом специализированными катализаторами стали белки, а специализированными хранителями информации – молекулы ДНК. За самой же РНК остались функции, связанные с передачей генетической информации и частично с регуляцией работы генов.

В самом деле, мы скоро убедимся, что ДНК, в отличие от РНК, не является в системе передачи генетической информации абсолютно необходимым звеном. Все генетические процессы в принципе можно было бы осуществить с помощью одних только РНК, которые и в современном мире довольно разнообразны. Генетическую систему, включающую только РНК, сконструировать можно, а вот включающую только ДНК – нельзя.

К этому можно добавить, что соединения рибозы и сами по себе, независимо от нуклеиновых кислот, играют важную роль в обмене (например, в энергетическом), чего никак нельзя сказать о соединениях дезоксирибозы: последняя нужна для синтеза ДНК, и больше ни для чего. Все это показывает, что ДНК – продукт гораздо более глубокой специализации, чем РНК, и в целом подкрепляет гипотезу РНК-мира.

Теперь обратимся еще к одному отличию, уже нам известному: в состав ДНК вместо урацила почему-то входит тимин. Напомним, что тимин отличается от урацила всего лишь одной дополнительной метильной группой (–CH₃). А дело тут, скорее всего, вот в чем. Есть еще одно азотистое основание, которое входит и в РНК, и в ДНК, и при этом является химически довольно неустойчивым. Это цитозин. Он легко подвергается спонтанному дезаминированию – потере аминогруппы, на место которой приходит гидроксильная группа. А цитозин с гидроксилом вместо аминогруппы – это не что иное, как урацил. Такие уж у этих веществ формулы. Получается, что если хранить генетическую информацию на РНК, то она неминуемо будет постепенно “засоряться” урацилом, образующимся из-за спонтанного дезаминирования цитозина.

А вот из ДНК урацил исключен вообще. Всеобщая замена урацила на тимин дает возможность легко исправлять ошибку дезаминирования, “настроив” соответствующие ферменты на вырезание любых нуклеотидов с урацилом как заведомо ошибочных. Но такая замена имеет смысл только в том случае, если ДНК уже используется как носитель информации! И получается сильный чисто химический довод за то, что ДНК была выбрана живыми системами на роль долговременного хранилища генетической информации “специально”. Никакой другой функции у нее никогда и не было.

Остается понять, какие живые организмы и когда создали это новшество. Это – интереснейший и совершенно нерешенный вопрос. Есть, например, гипотеза, что ДНК как таковая была “изобретена” ДНК-содержащими вирусами, которые потом инфицировали древнейшие клетки, еще содержавшие только РНК, и передали им свою “информационную технологию”. Если это верно – значит, современная клетка, содержащая ДНК, возникла в результате взаимодействия (или даже слияния) древней РНК-содержащей клетки с крупным ДНК-содержащим вирусом{55}55
  Forterre P. Three RNA cells for ribosomal lineages and three DNA viruses to replicate their genomes: a hypothesis for the origin of cellular domain // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2006, V. 103, № 10, 3669–3674.


[Закрыть]. Правда, тут возможна и более сложная последовательность событий – о том, какая именно, мы поговорим в главах 12 и 14.