Расшифровка ДНК

Как только выяснилось, что в ДНК содержится код жизни — набор инструкций, используемых клеткой для производства белков, которые в действительности и обеспечивают жизнедеятельность организма, а также формируют его части, ученые начали прилагать массу усилий, чтобы «взломать» этот код и выяснить, как работают эти механизмы. На решение этой задачи ушло много лет; над ней трудилось множество групп исследователей, которые проводили сложные биохимические эксперименты, хотя описать их подробно не позволяет формат этой книги. Но мы по крайней мере расскажем о принципах, лежавших в основе этих исследований, и о результатах всей этой работы.

Рассказ о расшифровке ДНК начинается с книги физика, а не биолога. Один из пионеров квантовой теории Эрвин Шредингер (1887–1961) был заинтригован идеей, что квантовые процессы могут играть важную роль при внесении изменений в молекулы, несущие код жизни, — то есть при мутациях. В то время, в 1940-е гг., носителями генетической информации все еще считались белки, но гипотезы Шредингера, опубликованные в 1944 г., не зависели от того, что конкретно это были за молекулы. Он проводил различие между кристаллом такого вещества, как поваренная соль, который состоит из бесконечного повторения одинаковых мотивов из атомов натрия и хлора, и кристаллом, который он назвал апериодическим, чье строение можно сравнить с «рафаэлевским гобеленом, который дает не скучное повторение, но сложный, последовательный и полный значения рисунок» *, хотя этот рисунок и соткан из нитей ограниченного количества цветов. Информацию, переносимую молекулами жизни, Шредингер называл «шифровальным кодом» и указывал, как с помощью даже ограниченного числа символов (например, отдельных молекулярных групп) информацию можно передавать так же эффективно, как с помощью букв алфавита. Он отмечал, что «не нужно особенно большого количества атомов в такой структуре, чтобы обеспечить почти безграничное число возможных комбинаций» и что в азбуке Морзе два знака (точка и тире), объединенные в группы не более чем по четыре, дают тридцать различных кодирующих групп — достаточно, чтобы охватить весь английский алфавит и некоторые знаки препинания. Немного забегая вперед, скажем, что число перестановок четырех разных знаков равно 24 (4 × 3 × 2 × 1), а 20 разных знаков — приблизительно 24 × 10 (24 с 17 нулями). Четырехбуквенного кода достаточно, чтобы описать все двадцать аминокислот в составе белков; разных аминокислот вполне достаточно, чтобы описать все разнообразие белков в живых организмах.

Книга Шредингера «Что такое жизнь?» (What is Life?) оказала огромное влияние как на биологов, так и на физиков, которые во время Второй мировой войны насмотрелись на смерть и хотели исследовать жизнь. Среди тех, кто позже особо отмечал влияние идей Шредингера, были Морис Уилкинс, Эрвин Чаргафф, Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон. А сразу после публикации первых статей Уотсона и Крика о ДНК этой темой заинтересовался еще один физик, Георгий Гамов (1904–1968).

Его внимание привлекла скорее вторая статья кембриджской группы о ДНК, опубликованная в журнале Nature 30 мая 1953 г. В то время он находился с визитом в Калифорнийском университете в Беркли, куда приехал из Вашингтона, где тогда работал. Позже он вспоминал:

Я шел по коридору радиационной лаборатории и наткнулся на Луиса Альвареса с журналом Nature в руках… Он сказал: «Взгляните, какую чудесную статью написали Уотсон и Крик». Так я ее впервые и увидел. А затем я вернулся в Вашингтон и начал размышлять о ней.

Плоды этих размышлений были опубликованы в журнале Nature в феврале 1954 г. Гамов ухватился за открытие, что ДНК состоит из четырех типов оснований, апериодически распределенных по ее нити, и подчеркнул, что молекулы белка могут строиться из цепочек аминокислот, удерживаемых рядом с ДНК так, что каждая аминокислота расположена напротив определенной кодирующей группы оснований ДНК. Детали предложенного им механизма были ошибочны, однако он объяснял:

Наследственные свойства любого конкретного организма можно выразить в виде длинного числа, записанного с использованием четырехзначной системы. С другой стороны, ферменты, чей состав должен полностью определяться молекулой дезоксирибонуклеиновой кислоты, являются длинными пептидными цепочками, образованными примерно двадцатью различными аминокислотами, и их можно считать длинными «словами», записанными 20-буквенным алфавитом.

В результате кропотливой работы, последовавшей за этим предположением, были установлены два ключевых факта. Во-первых, цепочки аминокислот не строятся непосредственно на ДНК. Когда клетке нужен конкретный белок (а как она «узнает», когда он ей нужен, до сих пор во многом остается загадкой), необходимый фрагмент ДНК высвобождается из двойной спирали одной из хромосом, используется как шаблон при синтезе цепочки РНК, а затем снова скручивается в спираль и упаковывается обратно в хромосому. Получившаяся цепочка РНК используется как шаблон для синтеза белка, после чего расщепляется для повторного использования ее компонентов. Во-вторых, хотя генетический код содержит четыре буквы, эти буквы используются для образования трехбуквенных слов (кодонов), каждое из которых обозначает конкретную аминокислоту или, в некоторых случаях, команды «старт» или «стоп» для строительства новой пептидной цепочки. Поскольку именно РНК, а не ДНК непосредственно участвует в синтезе белков, эти четыре буквы — A, У, Г и Ц. Например, тройка АГУ является кодоном аминокислоты серин, ГГУ — это валин, ЦЦА — пролин, а УАГ означает «стоп». Таким образом, последовательность оснований в молекуле РНК, например УЦЦAГУAГЦГГAЦAГ, следует читать как УЦЦ AГУ AГЦ ГГA ЦAГ.

Чтобы продемонстрировать, как это влияет на эволюцию, мы приведем пример из нашего алфавита. Вот предложение из трехбуквенных слов: КОТ БЫЛ СЫТ ПЕС БЫЛ ЗОЛ. За счет простой мутации, изменившей всего одну букву, в цепочке может появиться бессмысленное слово: КУТ БЫЛ СЫТ ПЕС БЫЛ ЗОЛ, и это может быть, а может и не быть важным для процессов, протекающих в клетке. Или может появиться новое правильное слово («правильное» в том смысле, что оно кодирует другую аминокислоту ): КИТ БЫЛ СЫТ ПЕС БЫЛ ЗОЛ. В результате изменения одной аминокислоты в клетке может начаться синтез бесполезного белка. Или иногда может получиться белок даже более эффективный, чем исходный. Более резкие мутации могут менять целые слова — например, слово КОТ может превратиться в ЛЕВ — или вообще удалять слова: КОТ БЫЛ СЫТ БЫЛ ЗОЛ. А пропуск (или добавление) одной буквы может полностью изменить весь текст. Например, если убрать из исходного сообщения первую букву К, то мы получим ОТБ ЫЛС ЫТП ЕСБ ЫЛЗ ОЛ.

Вы можете сами поразвлечься с другими примерами. Для эволюции важно то, что такие ошибки могут возникать в результате сбоев копирования, когда хромосомы перетасовываются, перед тем как попасть в половые клетки, которые передают гены следующему поколению. Могут происходить и более серьезные изменения, например, когда целые участки ДНК неправильно соединяются после кроссинговера или вообще удаляются. В детали этого процесса мы вдаваться не будем.

Что здесь действительно важно, так это то, что был открыт источник неидеально точного копирования генетического материала, который является одной из основ эволюции. Учитывая все вышеизложенное, давайте снова вернемся к эволюции на уровне целых организмов и рассмотрим открытия, которые были сделаны во второй половине XX в.

Основы для этих открытий были заложены еще в 1930-е гг., но тогда эти исследования не получили широкого признания. Хотя к тому времени ученые уже в основном изучали все более мелкие формы жизни, одна исследовательница продолжала заниматься крупными организмами, как Грегор Мендель. Ее имя — Барбара Макклинток (1902–1992). Организмом, который она изучала, была кукуруза, которая, как и менделевский горох, давала всего одно поколение в год. Макклинток сближало с Менделем еще и то, что результаты ее работы были оценены в полной мере только через 40 лет, но она, в отличие от Менделя, дожила до этого момента.

Макклинток родилась спустя два года после повторного открытия законов Менделя и училась в Колледже сельского хозяйства и естественных наук при Корнеллском университете в Итаке, штат НьюЙорк, который окончила в 1923 г. В своей нобелевской лекции, произнесенной в 1983 г., она вспоминала: «Я начала активно заниматься генетикой через 21 год после повторного открытия принципов наследственности Менделя в 1900 г., когда эти принципы еще не были приняты большинством биологов». Она отучилась в аспирантуре Корнеллского университета, в 1927 г. защитила диссертацию, разработав методы анализа хромосом кукурузы, и продолжила работать в этом направлении после получения докторской степени. Для ее исследований не имело значения, из чего состоят хромосомы, поскольку Макклинток и созданную ею группу ученых интересовали хромосомы в целом и гены как участки хромосом, а также их влияние на организм. Кукуруза (маис), которую она изучала, — гораздо более интересный объект для исследований, чем однообразная желтая кукуруза из супермаркета. У дикой кукурузы разноцветные зерна, и они расположены в початке рядами, так что их очень удобно учитывать. Вместо того чтобы рассматривать глаза крошечных мушек или изучать под микроскопом бактерии, все, что вам нужно сделать для выявления изменений (мутаций), это вскрыть початок и изучить узоры из разноцветных зерен, представленные во всей своей красе.

Эволюция и квантовые процессы. Как физики помогли расшифровать ДНК

Читайте также