Чтение онлайн

Меня много критиковали за то, как я охарактеризовал Розалинд Франклин в моей опубликованной в 1968 году книге «Двойная спираль», повествующей о событиях того времени. Хотя Розалинд долгое время отказывалась признавать, что ДНК – это двойная спираль, благодаря ее работе мы получили абсолютно незаменимые научные данные. К счастью, в настоящее время ее заслуги оценены по достоинству, в том числе и с моей стороны, в послесловии к книге «Двойная спираль». Бренда Мэддокс написала о ней душевную биографическую книгу «Розалинд Франклин: темная леди ДНК». Не менее талантливо образ Розалинд воссоздала Николь Кидман, завораживающе сыгравшая ее в пьесе «Фотография 51» (компания Уэст-Энд, 2015). Так называлась одна из фотографий B-формы ДНК, полученных методом рентгеновской дифракции, которые сделал Раймонд Гослинг, аспирант Розалинд (о нем я рассказывал на с. 62). Этот снимок позволял предположить, что молекула имеет спиралевидную форму. Розалинд отложила этот снимок в сторону в мае 1952 года, а Морис Уилкинс показал мне его только в январе 1953 года. Честно говоря, ей он в этом так не признался. Вообще-то вся эта история с ДНК развивалась в духе «рыцарей плаща и кинжала».

Открытие двойной спирали стало последним гвоздем, забитым в гроб витализма. Серьезные ученые, даже разделявшие религиозные взгляды, осознали, что для полного понимания жизни не потребуется открывать никаких новых законов природы. Жизнь оказалась просто делом физики и химии, хотя и совершенно филигранно организованных. Теперь перед нами стояла следующая задача: понять, как реализуется на практике заложенный в ДНК «генетический код». Как молекулярные клеточные механизмы считывают информацию из молекул ДНК? В следующей главе будет рассказано, сколь неожиданно сложным оказался такой механизм считывания и какие удивительные подсказки о возникновении самой жизни он нам преподнес.

Задолго до того как Освальд Эвери привлек всеобщее внимание к экспериментам над ДНК в контексте «принципа трансформации генетической информации», генетики попросту пытались понять, как наследственный материал – что бы то ни было – может влиять на свойства конкретного организма. Каким образом «факторы» Менделя влияют на форму гороха, причем так, что горошины получаются либо гладкими, либо морщинистыми?

Первая подсказка появилась уже на рубеже XIX и XX веков, сразу же после того как были заново открыты работы Менделя. Английский врач Арчибальд Гаррод сделал карьеру исследователя, а не терапевта, поскольку с трудом осваивал дисциплины медицинского вуза, а также совершенно не умел тактично общаться с пациентами. Поэтому он не столько врачевал в госпитале Святого Варфоломея, сколько занимался изучением некоторых редких болезней, характерным общим симптомом которых был странный оттенок мочи. Одно из таких заболеваний, алкаптонурия, также называется «синдром черных пеленок», поскольку у страдающих этим заболеванием детей моча на воздухе темнеет. Несмотря на этот тревожный симптом, болезнь, как правило, не смертельна, хотя в зрелом возрасте и может вызывать нарушения опорно-двигательного аппарата, наподобие артрита, поскольку темные пигменты, окрашивающие мочу, накапливаются в суставах и позвоночнике. По версии медиков того времени, наличие темного пигмента было связано с бактериальной обсемененностью кишечными бактериями, но Арчибальд Гаррод настаивал на том, что черная моча появляется уже у новорожденных, пока не имеющих сформировавшуюся микрофлору, и, соответственно, эти вещества есть продукт нарушения метаболизма в организме. Гаррод предположил, что все дело в биохимическом сбое, «ошибке метаболизма», как он сам выражался. Он полагал, что здесь могут существовать критические изъяны в реализации биохимических путей.

Трехмерное изображение рибосомы, «клеточной фабрики белков». Вот она, рибосома во всей красе. В каждой клетке – миллионы рибосом. Именно в рибосомах идет сборка белков на основе информации, считываемой из ДНК, а белки – основные персонажи «биохимической драмы». Рибосома состоит из двух субъединиц, основу каждой из которых составляет молекула РНК, окруженная примерно шестьюдесятью белками. Здесь изображена рибосомальная 30S-субъединица бактериального происхождения. Атомы конкретных элементов в рибосомальной РНК окрашены в разные цвета: фосфор оранжевый, углерод серый, кислород красный, азот голубой. Транспортная РНК (тРНК), переносящая аминокислоты на рибосому, изображена в виде трубочек и окрашена в радужные оттенки (последовательно от красного и далее до оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового, от начала к концу молекулы). Матричная РНК (мРНК) также изображена в виде трубочек и окрашена в темно-синий цвет

В дальнейшем Гаррод заметил, что алкаптонурия, которая редко встречается в масштабах большой популяции, чаще поражает детей, рожденных в близкородственных браках. В 1902 году он смог объяснить этот феномен в контексте заново открытых законов Менделя. Здесь прослеживалась закономерность, характерная для наследования рецессивного гена. Допустим, двоюродные брат и сестра получают одинаковый ген алкаптонурии от общего дедушки, и возникает вероятность 1 к 4, что от их брака родится ребенок, у которого этот ген будет гомозиготным (то есть ребенок получит две копии рецессивного гена). В таком случае этот ребенок заболеет алкаптонурией. Совместив результаты биохимических и генетических анализов, Гаррод заключил, что алкаптонурия – это «врожденная ошибка метаболизма». Хотя на тот момент никто по-настоящему не понял этого вывода, Гаррод первым вывел причинно-следственную связь между генами и их физиологическими проявлениями. По его мнению, гены каким-то образом управляют обменом веществ, и генетическая ошибка, мутация, может привести к повреждению метаболического пути.

Следующий серьезный шаг на этом пути был сделан лишь в 1941 году, когда Джордж Бидл и Эд Тейтем опубликовали свое исследование об индуцированных мутациях у нейроспоры густой (хлебной плесени). Джордж Бидл вырос близ города Уаху в штате Небраска и унаследовал бы родительскую ферму, если бы общение со школьным учителем естествознания не заставило его задуматься об иной карьере. В течение 1930-х годов Бидл работал сначала в Калифорнийском технологическом институте с Морганом, прославившимся исследованием дрозофил, а затем в Институте физико-химической биологии в Париже. Бидл без остатка посвятил себя генетическим исследованиям, пытаясь, к примеру, выяснить, как работает «магический механизм» генов при изменении цвета глазок у дрозофил. Прибыв в 1937 году в Стэнфордский университет, он заручился помощью Тейтема, который присоединился к Бидлу вопреки мнению своих научных консультантов. Эд Тейтем одновременно оканчивал Университет Висконсина и там же учился в аспирантуре, исследуя бактерии, живущие в молоке; поскольку Висконсин также называют «Сырный штат», то молоко и молочные продукты были там в избытке. Несмотря на то что сотрудничество с Бидлом обещало быть занимательным и интеллектуальным, висконсинские преподаватели Тейтема убеждали его сделать карьеру в молочной промышленности, чтобы впоследствии не испытывать финансовых затруднений. К счастью для всей науки, Тейтем предпочел Бидла сливочному маслу.

Вскоре Бидл и Тейтем осознали, что дрозофила – слишком сложный организм и не подходит для интересующих их исследований. Искать конкретную мутацию у такого животного, как дрозофила, – все равно что искать иголку в стоге сена. Вместо этого они решили работать с абсолютно примитивным видом – нейроспорой густой (Neurospora crassa), красно-оранжевой хлебной плесенью, встречающейся в тропиках. Их план был предельно прост: облучать плесень рентгеновским излучением, вызывая в ней мутации, – так Меллер поступал с дрозофилами – и пытаться выяснить, как возникающие мутации влияют на Neurospora crassa. Отслеживать эффект мутаций они пытались следующим образом. Было известно, что обычная (не мутировавшая) нейроспора выживает в так называемой минимальной питательной среде. Оставаясь на таком «голодном пайке», микроорганизмы, очевидно, могли самостоятельно синтезировать все сравнительно крупные молекулы, необходимые им для жизни, собирая их из более простых молекул питательной среды. Бидл и Тейтем рассудили, что если возникнет мутация, которая исключит все эти синтетические пути, то получившаяся облученная культура плесени не сможет расти в минимальной питательной среде; тем не менее та же культура должна формировать колонии в «полноценной» питательной среде, где есть все необходимые для жизни молекулы, в частности аминокислоты и витамины. Иными словами, мутация, блокирующая синтез основного питательного вещества, окажется безвредной, если это питательное вещество можно будет брать непосредственно из питательной среды.

Бидл и Тейтем облучили около пяти тысяч плесневых культур и стали проверять их одну за другой на предмет, выживут ли они в минимальной питательной среде. Первая… вторая… третья… и только тогда, когда они добрались до 299-й культуры, выяснилось, что она действительно гибнет в минимальной питательной среде, а в полноценной выживает. Культура номер 299 оказалась первой из множества мутантных культур, которые им предстояло проанализировать. Далее требовалось выяснить, какое именно свойство утратили мутанты. Может быть, культура 299 не могла синтезировать незаменимые аминокислоты? Бидл и Тейтем попытались добавлять в минимальную питательную среду аминокислоты, но 299-я все равно не росла. Как насчет витаминов? Они добавили в минимальную питательную среду чуть-чуть витаминов, и на этот раз 299-я ожила. Теперь предстояло и далее сужать поле поиска, добавляя витамины по отдельности и проверяя, на каком этапе 299-я начнет расти. Ниацин не помог, рибофлавин тоже, но стоило им добавить витамин B6, и культура стала выживать в минимальной питательной среде. Мутация, возникшая при облучении и присущая культуре 299, каким-то образом вызывала разрушение синтетического пути, который обеспечивает производство B6. Но каким был механизм? Зная, что биохимический синтез такого рода управляется белковыми ферментами, обеспечивающими цепочку химических реакций биохимического пути, Бидл и Тейтем предположили, что каждая из открытых ими мутаций блокирует конкретный фермент. При этом, поскольку мутации происходят в генах, по-видимому, именно гены отвечают за синтез ферментов. Когда в 1941 году это исследование было опубликовано, появился слоган, отражающий наше представление о работе генов: «Один ген – один фермент».

Поскольку в тот период времени считалось, что все ферменты – это белки, вскоре встал вопрос: а кодируются ли в генах и те многочисленные клеточные белки, которые не являются ферментами? Что гены могут предоставлять информацию по всем белкам, впервые предположили в лаборатории Лайнуса Полинга в Калифорнийском технологическом институте. Полинг и его студент Харви Итано изучали гемоглобин, белок эритроцитов, основная функция которого состояла в доставке кислорода из легких к метаболически активным тканям, в частности к мышцам. Особенно их заинтересовал гемоглобин людей, страдающих серповидноклеточной болезнью, также именуемой серповидноклеточной анемией. Это генетическое расстройство, характерное для негроидов, а соответственно, и для афроамериканцев. Эритроциты у человека, страдающего серповидноклеточной анемией, деформируются и поэтому под микроскопом имеют выраженно серповидную форму. Эритроциты такой формы могут закупоривать капилляры, что вызывает ужасную боль и может даже привести к смерти. Дальнейшие исследования позволили объяснить преобладание такой болезни именно среди африканцев с эволюционной точки зрения: поскольку часть жизненного цикла у малярийного плазмодия протекает в эритроцитах, люди с серповидными эритроцитами легче переносят малярию. По-видимому, эволюция пошла на своеобразную сделку с дьяволом, подкинув такой «бонус» некоторым жителям тропиков: действительно, серповидноклеточная анемия обеспечивает какую-никакую защиту от вспышек малярии.

Итано и Полинг сравнили гемоглобин пациентов, страдающих серповидноклеточной анемией, с гемоглобином обычных людей и обнаружили, что у двух вариантов молекул гемоглобина различается электрический заряд. Примерно в тот же период, в конце 1940-х годов, генетики выяснили, что серповидноклеточная анемия передается как классический менделевский рецессивный фактор. Таким образом, заключили Итано и Полинг, серповидноклеточная анемия должна быть обусловлена мутацией в гене гемоглобина, которая влияет на химический состав получающегося гемоглобинового белка. Именно так Л. Полингу удалось уточнить версию Гаррода о врожденных ошибках метаболизма, охарактеризовав некоторые из них как «молекулярные болезни». Как раз такой молекулярной болезнью была серповидноклеточная анемия.

В 1956 году история о серповидноклеточной анемии, обусловленной мутацией гена гемоглобина, получила дальнейшее развитие благодаря Вернону Ингрэму, работавшему в той самой Кавендишской лаборатории, где мы с Френсисом Криком открыли двойную спираль. Вооружившись разработанными незадолго до того методами идентификации конкретных аминокислот в молекулярной цепочке, образующей белок, Ингрэм смог выявить именно те молекулярные различия, которые, по наблюдениям Итано и Полинга, влияли на общий заряд молекулы. Оказалось, что проблема состояла всего в одной аминокислоте.