Глава 1. Ученые создают "химеры"
И то, что носится в туманных очертаниях, закрепляется в прочных мыслях.
Нет химического соединения более важного, чем ДНК". Эти слова принадлежат Джеймсу Уотсону - американскому ученому, получившему в 1962 году вместе с англичанами Френсисом Криком и Морисом Уилкинсом Нобелевскую премию по физиологии и медицине за установление молекулярной структуры ДНК и за определение ее роли в передаче наследственной информации в живой материи.
Действительно, теперь каждый (прилежный, конечно) школьник знает, что ДНК, или дезоксирибонуклеиновая кислота, и является тем веществом, из которого состоят таинственные некогда гены, определяющие все наследуемые в потомстве признаки любого живого организма от наиболее примитивных внеклеточных вирусов, видимых лишь под электронным микроскопом, до "венца природы", как мы привыкли о себе думать, - Человека. Под властью генов находятся два важнейших свойства жизни - наследственность и изменчивость. Наука, изучающая эту область биологии, была названа генетикой (от греческого geneticos - относящийся к происхождению, рождению) выдающимся английским биологом Уильямом Бэтсоном. Это произошло в 1906 году, почти через 40 лет после того, как чешский исследователь-любитель, монах монастыря католиков-августинцев в небольшом австрийском городе Брюнне, известном теперь как Брно в Чехословакии, Грегор Иоганн Мендель открыл основные законы наследственности, сформулировал и экспериментально обосновал результатами своих блестящих опытов по скрещиванию разных сортов гороха идею о существовании наследственных задатков или факторов. Позже, в 1909 году, датчанин Вильгельм Иогансен, много сделавший для изучения закономерностей наследственности, предложил называть менделевские "наследственные задатки" генами (от греческого genos - род, рождение, происхождение) и ввел в научный обиход общепризнанные теперь термины генотип и фенотип. Первый обозначает совокупность всех генов, проявляющихся в признаках организма. Второй - сумму признаков, определяемых всем генотипом, или какой-то один признак, определяемый одним или группой генов.
Наблюдения Менделя, в свое время недооцененные и забытые, позже были полностью подтверждены и оценены по достоинству. В самом начале нашего века сразу трое ученых - Хуго Де Фриз в Голландии, Карл Корренс в Германии и Эрих Чермак в Австрии - на различных объектах практически одновременно "переоткрыли" законы Менделя и восстановили приоритет их автора. Пророческий смысл приобрели слова Менделя: "Если мне и приходилось переживать горькие часы, то прекрасных, хороших часов выпало гораздо больше. Мои научные труды доставили мне много удовольствия, и я убежден, что не пройдет много времени - и весь мир признает результаты этих трудов".
Следующее десятилетие (после вторичного открытия законов Менделя) в истории генетики было периодом подлинного торжества менделизма. В эти и последующие годы менделизм стал теорией, универсальной для всех видов животных, растений, микроорганизмов. Особую убедительность законы Менделя, выведенные на основе чисто количественного подхода к оценке наследования в потомстве контрастирующих признаков родителей (например, формы семян у гороха - гладкой или морщинистой либо окраски зерен в початках кукурузы - темной или светлой), получили при исследовании поведения хромосом - нитевидных структур, образующих клеточное ядро. Изучение хромосом (это слово буквально означает "цветное тело"), обнаруженных в ядрах клеток растений и животных еще в 80-х годах прошлого столетия, навело ученых на мысль о том, как могут наследственные факторы - гены - передаваться от родителей к потомству.
Было установлено, что животные и растения имеют для каждого вида строго определенное, характерное число хромосом. Скажем, у овса их 42, у ячменя - 14, у человека - 46. Каждая хромосома представлена в клетке дважды, то есть хромосомы "живут" парами. Смысл этого "излишества" стал ясен, когда в 1883 году бельгийский биолог Эдуард Ван Бенеден заметил, что в половых клетках число хромосом в два раза меньше, чем в других, называемых соматическими (от латинского слова "сома" - тело). При слиянии отцовской и материнской клеток получается обычный двойной набор хромосом, характерный для данного вида организма. Примерно в эти же годы были открыты процессы митоза и мейоза. Первый из них обеспечивает удвоение числа парных хромосом и их правильное расхождение между делящимися клетками. Второй необходим для образования половых клеток с уменьшенным вдвое числом хромосом. Поэтому мейоз называют еще редукционным (уменьшающим) делением. Эти работы заложили необходимый фундамент под все последующие исследования материальных основ наследственности.
Рис. 4
В начале XX века ученые сумели соединить менделевские законы наследования признаков в потомстве с закономерностями распределения хромосом при делении клеток. Первыми цитологическое (то есть основанное на изучении строения клеток и поведения хромосом) объяснение законам Менделя дали Уолтер Сэттон и Теодор Бовери. В 1902 году У. Сэттон писал: "Я хочу привлечь внимание к вероятности, что соединение в пары отцовских и материнских хромосом и их последующее разделение во время редукционного деления может представить физическую основу закона наследственности Менделя". Так зарождалась хромосомная теория наследственности. Ее подлинным создателем стал профессор экспериментальной экологии Колумбийского университета в Нью-Йорке Томас Хант Морган. Морган и его сотрудники, начиная с 1910 года, примерно за 15 лет получили неопровержимые доказательства того, что гены линейно расположены в хромосомах; установили факты сцепления генов, то есть их совместного наследования в случае локализации в одной хромосоме; открыли принцип независимого расхождения каждой из хромосом пары в дочерние, в том числе и половые клетки.
Удача сопутствовала ученым во многом потому, что они сумели найти для своих опытов живое существо, способное быстро размножаться в ограниченном пространстве и не требующее больших затрат на свое содержание. Этим условиям полностью соответствовала многим хорошо знакомая и широко распространенная плодовая мушка - дрозофила. Ее научное латинское название "дрозофила меланогастер" - "чернобрюшная". У дрозофил всего 4 пары хромосом и много варьирующих признаков. Например, они могут различаться и окраской туловища, и формой крыльев, и цветом глаз. И что не менее важно - за каких-нибудь 12 дней пара мух может принести примерно тысячу "мушинят". Для того чтобы узнать, какие признаки родителей унаследовали потомки, их усыпляют, дав немного подышать эфиром. Теперь ничто не мешает разглядеть под лупой, какого цвета у мушек глаза, спинка, какой формы крылья или брюшко. Когда мушки проснутся, от них можно получать новые поколения и следить за наследованием признаков дальше. Сравнивая число признаков, наследуемых совместно друг с другом, Морган обнаружил, что каждая хромосома содержит группу сцепленных между собой генов. Так было установлено, что гены действительно находятся в хромосомах. Однако этим заслуги Моргана и его школы не ограничиваются. Ученые обнаружили многочисленные отклонения от правила "одна хромосома - одна группа совместно наследующихся признаков". Часто признаки, о которых было известно, что они определяются генами, принадлежащими к одной группе, оказывались в следующих поколениях в новой, необычной для себя "компании" других признаков. Для объяснения этого "непорядка" Морган сделал совершенно новаторский по тому времени вывод: хромосомы одной пары способны обмениваться между собой частями. Наблюдения за поведением хромосом дрозофил под микроскопом подтвердили: на определенной стадии мейоза две хромосомы сближаются, перекрещиваются и обмениваются фрагментами. Именно перекресту хромосом, или кроссинговеру, приводящему к нарушению сцепленности генов, и дрозофилы, и мы с вами обязаны тем, что представляем собой не простой набор признаков, определяемых хромосомами, доставшимися от папы или мамы, а их сложную смесь.
Рис. 5
Морган и его сотрудники представляли себе хромосомы в виде ожерелий, на которых упорядочение расположены бусинки - гены. Эта вроде бы и примитивная, особенно с высоты наших сегодняшних знаний, схема оказалась очень продуктивной. Ведь дело можно представить себе так: чем дальше друг от друга расположены гены, тем вероятнее обрывы нити хромосомы между ними и, следовательно, получение новых сочетаний. Относительное расстояние между генами в хромосоме стали определять путем простого подсчета частоты "кроссоверных мух". Так называют мушиное потомство с признаками, появление которых можно объяснить только обменом соответствующими участками между хромосомами одной пары. Эти расчеты легли в основу построения первых генетических карт-схем взаимного расположения на хромосоме отдельных генов.
Уже к началу 20-х годов Морганом и его учениками были открыты и картированы (локализованы на хромосомах) сотни генов дрозофилы. Ныне у этой мушки известно около 7000 генов, распределенных по четырем хромосомам. Принципы, открытые Морганом, легли в основу составления генетических карт у всех животных организмов. И еще одно важное обстоятельство: кроссинговер - это придуманный самой природой механизм получения рекомбинантных (то есть соединенных в новой комбинации) генетических структур. Ниже мы узнаем, как уже в наше время, всего каких-нибудь 15 лет назад, ученые научились блестяще подражать природе, создавая рекомбинантные молекулы, и даже пошли дальше, сумев связать в одной молекуле гены из совершенно различных, очень далеких друг от друга видов живых организмов. Эти работы и легли в основу генной инженерии. Пока же лишь отметим, что, несмотря на заслуги Моргана, по-прежнему оставалось неясным, что же представляют собой гены и какова их материальная сущность.
Между тем вещество, из которого построены гены, - дезоксирибонуклеиновая кислота, было открыто в те же годы, когда Грегор Мендель тщетно пытался добиться признания значения своих выводов среди профессиональных ученых. В конце 1868 года, всего через три года после публикации данных Менделя, швейцарский врач и химик Фридрих Мишер выделил из ядер клеток лейкоцитов, накапливающихся в гное больных, вещество, которое он назвал нуклеином (от латинского слова "нуклеус" - ядро). Это и было то самое соединение, известное сегодня как дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК. Примечательное в истории науки совпадение: открытия Мишера так же, как и открытия Менделя, оставались в забвении почти 40 лет, до начала XX века.
Рис. 6
К 20-м годам нашего века вроде бы многое стало известным: и то, что наследственность определяется генами, и то, что гены находятся в хромосомах, и даже то, что ДНК является компонентом ядра и тоже локализована в хромосомах. Тем не менее, чтобы доказать, что именно ДНК - то самое вещество, из которого состоят гены, понадобилась еще почти четверть века. Причина здесь в том, что ДНК долгое время считали слишком монотонной по всей структуре молекулой, неспособной претендовать на роль главного носителя наследственной информации, кодирующей разнообразные признаки организма.
Имеющиеся в то время факты показывали, что такой взгляд на ДНК не лишен оснований. Было известно, что ДНК построена из множества соединенных между собой "кирпичиков" - нуклеотидов. Каждый из них состоит из одной молекулы, называемой азотистым основанием. Таких оснований в ДНК четыре. Два из них - аденин (А) и гуанин (Г), образованные двумя сомкнутыми кольцами, состоящими из атомов углерода и азота, - называют пиримидинами. Два других - тимин (Т) и цитозин (Ц), состоящие лишь из одного кольца, - пуринами. Кроме основания, каждый нуклеотид содержит остаток фосфорной кислоты (вот откуда у нуклеина кислые свойства) и пятиуглеродный сахар, называемый дезоксирибозой (отсюда и название "дезоксирибонуклеиновая кислота"). Примерно такой же состав имеет и другая нуклеиновая кислота, обнаруженная в клетках еще в конце прошлого века. В отличие от ДНК она сосредоточена преимущественно не в ядре, а в цитоплазме. У нее есть и другие отличия от ДНК: вместо тимина в ней находится близкое к нему по структуре основание урацил (У), а вместо дезоксирибозы - другой пятичленный сахар - рибоза, давший название всей молекуле, - рибонуклеиновая кислота, или РНК. Нуклеотиды объединены между собой химическими связями между фосфатной группой одного и сахаром другого. Основания присоединены к молекулам сахара. При связывании большого числа нуклеотидов между собой образуются длинные цепочки - полинуклеотиды.
Вплоть до 40-х годов считалось, что четыре "кирпичика" нуклеотидов монотонно повторяются в структуре ДНК либо РНК множество раз, образуя полинуклеотиды. Ясно, что записать богатый по смыслу текст (бесконечное разнообразие признаков организма) с помощью строго повторяющихся четверок букв невозможно. Вот почему большинство ученых в то время придерживались мнения, что более подходящими претендентами на роль вещества наследственности являются белки. Хоть и мало их содержание в хромосомах по сравнению с ДНК, зато структура поразнообразнее - все же они состоят из 20 "букв" - аминокислот, а не из четырех.
Следует заметить, что, даже заблуждаясь насчет материальной природы гена, некоторые ученые довольно точно предсказывали, как они должны осуществлять свои функции. Таким подлинным провидцем был крупнейший русский биолог Николай Константинович Кольцов. Задолго до раскрытия подлинной структуры генов он утверждал, что общим свойством наследственных молекул должна быть способность к точной репродукции, то есть созданию своих копий. Идея Н. К. Кольцова о способности генов к самокопированию оказалась совершенно правильной и через несколько десятилетий полностью подтвердилась при изучении структуры и функций нуклеиновых кислот, прежде всего ДНК.
Рис. 7
Заслуга открытия роли ДНК как материальной основы наследственности, вещества, из которого и состоят гены, принадлежит профессору Освальду Эйвери и его коллегам К. Мак-Леоду и М. Маккарти, работавшим в Рокфеллеровском институте в Нью-Йорке. В 1944 году эти ученые первыми показали, что ДНК отвечает за наследуемые признаки. Это было сделано на бактериях - микроорганизмах, лишенных в отличие от растений и животных настоящего, отделенного мембраной от цитоплазмы ядра. Аналог ядра у бактерий - нуклеоид - представляет собой длинную скрученную хромосому, плавающую в цитоплазме. Эйвери с сотрудниками решили разобраться в сути одного остававшегося почти 15 лет загадочным по своему смыслу наблюдения, сделанного английским микробиологом Фредериком Гриффитом, работавшим с бактериями, - возбудителями пневмонии у животных и человека. Неожиданно для себя Гриффит обнаружил, что если вирулентные пневмококки убить кипячением и смешать с живыми неболезнетворными, то эти последние по непонятной причине приобретают вирулентность. Зараженные смесью убитых и живых бактерий мыши погибали от пневмонии. Эйвери и его сотрудники повторили опыты Гриффита, только они смешивали живых невирулентных пневмококков не с целыми убитыми клетками вирулентных бактерий, а с выделенной из них ДНК. Результат оказался тем же, что и у Гриффита, - мыши гибли от пневмонии. И вот что важно: чем лучше очищали препарат ДНК от примесей белка, тем более активно он превращал безвредные бактерии в болезнетворные. Это сопровождалось явным изменением одного из признаков бактерий, смешанных с препаратом ДНК: они приобретали толстую внешнюю оболочку - капсулу, предохраняющую их от уничтожения при попадании в организм животного. Это означало, что именно в ДНК вирулентных бактерий содержатся гены, ответственные за их важнейший признак - наличие капсулы, и что перенос этой ДНК в невирулентные бактерии передает им новый признак - способность образовывать капсулу. Так впервые была выявлена взаимосвязь между молекулой ДНК и признаками организма. Прошло еще немного времени - и роль ДНК как главного носителя наследственной информации была доказана окончательно. В 1948 году, том самом, когда в Москве "мичуринцы" во главе с Т. Лысенко обрушивались на "формальных генетиков", "вейсманистов-морганистов", обвиняя их во всех смертных грехах, походя отметая и законы Менделя, и сами гены на том основании, что их "никто не видел", американский биохимик Эдвин Чаргафф заложил "бомбу" под фундамент представления о "монотонности" ДНК. Он количественно проанализировал нуклеотидный состав ДНК и показал, что общее количество пуринов (аденина и гуанина) в молекуле ДНК равно количеству пиримидинов (тимина и цитозина), содержание А равно содержанию Т, а Г=Ц. Это означало, что отношение А к Т и Г к Ц равняется 1, а сумма Г+Т=А+Ц. Смысл этих соотношений оставался непонятен. Ясно было одно: существует устойчивая зависимость содержания А и Т с одной стороны и Г и Ц - с другой. И еще одно важное обстоятельство открыли работы Чаргаффа и советских ученых А. Н. Белозерского и А. С. Спирина - отношение А+Т к Г+Ц может заметно различаться у различных видов организмов. Например, у некоторых вирусов и бактерий оно равно 0,36 - 0,39, у пекарских дрожжей (сахаромицетов) - 1,8, у кукурузы - 1,04, у табака - 1,5, у человека - в среднем 1,1 и т. д. Значит, это какой-то очень существенный показатель, отражающий неодинаковость нуклеотидного состава ДНК у различных организмов.
Рис. 8
Понять подлинное строение ДНК и объяснить "правила Чаргаффа" сумели Дж. Уотсон и Ф. Крик. Уотсону к началу работы, принесшей ему впоследствии Нобелевскую премию и всемирную славу, было всего 23 года, его коллеге Крику - 35 лет. Открытие ими "двойной спирали" - структуры ДНК - относится к наиболее волнующим событиям в истории естествознания XX века. Общение со специалистами из различных областей науки - химиками и кристаллографами, в особенности М. Уилкинсом и Розалиндой Франклин, изучавшими рентгенограммы кристаллов ДНК, исключительно высокий уровень исследований и благоприятный "дух науки", царившие в знаменитой Кавендишской лаборатории в Кембриджском университете в Лондоне, наблюдательность и молодой задор Уотсона, помноженные на опыт и глубокий аналитический ум Крика, дали замечательный результат. Немногим более года понадобилось этим ученым, чтобы понять, что ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, причем пурины и пиримидины, нерегулярно распределяющиеся в одной цепи, соединены водородными связями и пиримидинами и пуринами в другой. Эта связь между основаниями в противоположных цепях поддерживает спиральную конфигурацию молекул ДНК. Цепи ДНК закручиваются вокруг общей оси в двойную спираль, витки которой, если смотреть вдоль оси спирали, идут слева направо, то есть по часовой стрелке. Спаренные основания, уложенные плоскостями друг на друга, располагаются между двумя цепями перпендикулярно их оси. Вся структура ДНК напоминает винтовую лестницу: перила образованы регулярно повторяющимися сахарфосфатными группами отдельных нуклеотидов, соединенными между собой, а ступеньками служат спаренные основания. Важнейший элемент строения ДНК - принцип комплементарности, или взаимодополнения, благодаря которому основания соединяются строго специфично: А всегда связывается с Т, а Ц - с Г. В результате каждая пара оснований состоит из одного пурина и одного пиримидина. Таким образом открылся смысл "магических единиц" Чаргаффа: количества пуриновых и пиримидиновых оснований равны между собой.
Модель "двойной спирали" быстро получила признание еще и потому, что она объясняла, как может происходить процесс самокопирования, или репликации, ДНК. По мысли Уотсона и Крика, подтвержденной позднее тщательными биохимическими исследованиями, для того чтобы ДНК воспроизвела себе подобную структуру, ее цепи должны быть способны к раскручиванию и последующему частичному разделению вследствие разрыва водородных связей в каждой комплементарной паре оснований. Образовавшиеся одноцепочечные участки родительской молекулы служат шаблоном (матрицей), к которому на основе комплементарности оснований присоединяются новые нуклеотиды. Они скрепляются между собой вдоль оси сахарофосфатными мостиками. В результате около старой, родительской, цепи образуется новая, дочерняя. Поскольку процесс самокопирования происходит на каждой из разделившихся цепей исходной молекулы, в результате образуются две двухцепочечные структуры, идентичные родительской ДНК, в каждой из которых одна цепь старая, а другая - новая. Открытие, действительно, замечательное: впервые была найдена структура, способная к самовоспроизведению, а значит, к наследованию в потомстве. Этой структурой оказалась ДНК - главное вещество хромосом всех живых организмов. В дальнейшем были обнаружены белки, обеспечивающие процесс репликации ДНК, и установлено, на какой стадии клеточного цикла она осуществляется и как самокопирующиеся молекулы ДНК распределяются в дочерние клетки при их делении.
Как же осуществляется способность ДНК кодировать признаки организма? Еще много раньше открытия генетической роли ДНК ученым стало ясно, что любой признак организма, будь то окраска цветка, форма зерна или длина стебля, - результат работы белков-ферментов, а информация об их синтезе записана в генах. Как же могут 4 нуклеотида - 4 "буквы" ДНК, даже если, как оказалось, они расположены вдоль ее молекулы вовсе не монотонно, а в определенном порядке, кодировать структуру белков, построенных из полипептидов, представляющих собой чередование 20 аминокислот?
Для того чтобы понять, как это происходит, вспомним, что генетика - это наука не только о наследственности, но и об изменчивости живых организмов. Основная причина изменчивости - способность генетического материала претерпевать изменения, наследуемые в потомстве. Главными из них являются мутации.
Сам этот термин, обозначающий по латыни "изменение", "перемена", был предложен в 1901 году голландским ботаником X. Де Фризом - одним из трех "переоткрывателей" законов Менделя. Де Фриз, проводивший многолетние скрещивания и наблюдения над растением энотерой (ослинником), открыл, что даже совершенно однородные линии дают в потомстве, хотя и очень редко, примерно в двух-трех случаях на десятки тысяч, растения с небольшими, однако стойко наследующимися изменениями признаков - мутациями. Возникают они как бы внезапно, иногда без видимых причин, много чаще как результат внешних воздействий на организм. Большой вклад в изучение природы и причин возникновения мутаций внесли работы Моргана на дрозофиле. Они показали, что причиной мутации служат какие-то химические изменения в генетическом веществе хромосом. Ученик Моргана, Герман Меллер, работавший, кстати, несколько лет в Советском Союзе по личному приглашению Н. И. Вавилова, решил добиться увеличения частоты образования мутаций, подвергая дрозофил различным воздействиям. Самым эффективным мутагеном оказалось рентгеновское облучение. С помощью радиации Меллер сумел 1000-кратно повысить частоту мутаций у мух по сравнению с той, что наблюдалась спонтанно, то есть в естественных условиях. Нужно заметить, что первая успешная попытка изменить наследственность под действием радиации была предпринята в Ленинграде академиком Г. А. Надсоном и его сотрудником Г. С. Филипповым в 1925 году, незадолго до работы Меллера. Метод получения искусственных мутаций немедленно подхватили селекционеры. Уже в 1928 году Л. Стадлер сумел успешно использовать рентгеновское излучение для получения мутаций кукурузы и ячменя. Эксперименты на дрозофиле и растениях положили начало радиобиологии. В 30-е годы Н. В. Тимофеев-Ресовский, Карл Циммер и Макс Дельбрюк открыли законы радиационного мутагенеза, создали теорию мишени излучения, сыгравшую значительную роль в развитии радиационной генетики. В эти же годы советскими учеными В. В. Сахаровым, М. Е. Лобашевым и другими было открыто мутагенное действие некоторых химических соединений. Позднее, сразу после войны, И. А. Рапопорт обнаружил сверхмощные химические мутагены - нитрозосоединения.
С помощью вызывающих мутации физических и химических воздействий удалось установить два краеугольных постулата современной генетики и молекулярной биологии. Первый из них (в немного приближенной форме) звучит так: "один ген - один фермент". Второй - "генетический код триплетен", то есть аминокислоты в белках кодируются группами из трех нуклеотидов, локализующихся в цепи ДНК.
Открывателями первого постулата были Джордж Бидл и Эдуард Татум, изучавшие в конце 30-х годов в Стэнфордском университете в США биохимические мутации у плесневого гриба - нейроспоры. Этот гриб оказался очень подходящим объектом для исследования генов, контролирующих синтез нужных клетке веществ - аминокислот, азотистых оснований, витаминов. Все эти соединения нейроспора может производить сама. Поэтому она не очень разборчива в питании и может расти на бедных средах, содержащих только самое необходимое - неорганические соли и какой-нибудь сахар, чтобы было откуда взять углерод. Под действием радиации Бидл и Татум получили у нейроспоры множество мутантов, ставших намного более требовательными к пище. Каждый из выделенных мутантов нуждался в каком-то одном, необходимом ему веществе, например в какой-то определенной аминокислоте, витамине, либо азотистом основании. Скрещивая такие мутанты между собой, Бидл и Татум убедились, что в каждом отобранном случае мутация затронула лишь один ген. Это могло означать только одно - гены кодируют биохимические функции организма, то есть отвечают за синтез ферментов. Возникла формула: "один ген - один фермент". Так с помощью мутации выяснилось, что гены непосредственно отвечают за синтез ферментов, участвующих в выработке необходимых для жизнедеятельности клетки веществ.
Позднее, когда стало известно, что многие белки-ферменты построены из нескольких цепочек аминокислот - полипептидов, формула была немного изменена: "один ген - одна полипептидная цепь". Теперь появилась возможность ответить на вопрос - как закодированы в ДНК эти белки? На этот раз помогли мутации у одного из вирусов бактерий - бактериофага Т4, "пожирающего" клетки еще одного излюбленного объекта генетиков - кишечной палочки, названной по имени ее открывателя Теодора Эшериха - Escherichia coli (эшерихиа коли).
Обдумывая вопрос, каким образом четыре азотистых основания в ДНК определяют состав полипептидных цепей, состоящих из 20 аминокислот, Уотсон и Крик высказали замечательную догадку. Они предположили, что на пути между геном (ДНК) и его продуктом (белком) находится посредник. Им служит РНК. Генетическая информация переписывается с гена на РНК, а с РНК передается на белок. Первая часть этого пути называется транскрипцией, вторая - трансляцией. Оба эти процесса обеспечивают проявление гена - его экспрессию. Гипотеза Уотсона и Крика полностью подтвердилась. РНК-посредник, действительно, была обнаружена. Она получила название информационной (потому что на нее переписана генетическая информация), или матричной (потому что строится по ДНК, как по матрице, на основе принципа комплементарности). У дрожжей, грибов, растений и животных, то есть у всех живых организмов, имеющих истинное, отделенное мембраной от цитоплазмы ядро (такие организмы называют эукариотами, от греческого "эу" - истинный, "карион" - ядро), матричная РНК (мРНК) синтезируется в ядре, а затем переходит в цитоплазму. Здесь на специальных "фабриках белка" - рибосомах по матрице мРНК происходит сборка аминокислот в полипептидную цепь. Такой механизм означает, что генетический код, записанный в ДНК, должен переписаться на мРНК. Текст, зашифрованный в мРНК с помощью 4 "букв" - оснований (А, Г, Ц, У), должен быть прочитан осмысленно, так, чтобы вместо фермента, осуществляющего какую-то определенную, нужную клетке работу, не получилась абракадабра из аминокислот, как попало соседствующих друг с другом в молекуле белка.
Рис. 9
Какие же комбинации 4 нуклеотидов будут соответствовать 20 аминокислотам белка? Вначале этот вопрос решался чисто количественно. В 1961 году Ф. Крик, на этот раз не с Уотсоном, а с Сидни Бреннером и другими на основании результатов тщательного генетического исследования множества мутантов у вируса кишечной палочки - бактериофага Т4 - пришли к выводу о том, что каждая аминокислота кодируется тройкой нуклеотидов. В ДНК такую тройку называют триплетом. Будучи переписанной на мРНК, она получает новое имя - кодон. Именно он определяет, какая из аминокислот будет встраиваться в синтезирующуюся молекулу белка. Решив количественную сторону вопроса доказательством формулы "тройка нуклеотидов - одна аминокислота", необходимо было решить и его качественную сторону. В 1961 году собравшиеся со всего мира в Москву на биохимический конгресс ученые услышали доклад мало кому известных молодых американцев Маршалла Ниренберга и Генриха Маттеи. Они искусственно синтезировали РНК, состоящие только из одного многократно повторенного уридинового нуклеотида. Когда такую РНК добавляли к экстрактам клеток кишечной палочки, содержащим рибосомы, но лишенным собственных мРНК, то в системе начинал синтезироваться полипептид, состоящий только из одной аминокислоты - фенилаланина. Это означало, что у природы удалось получить первый ответ на вопрос о том, что означают определенные сочетания нуклеотидов в кодонах в переводе на язык аминокислот. Ясно, что сочетание УУУ означало фенилаланин. А ведь тройки из 4 нуклеотидов могут дать 43=64 сочетания, то есть существенно больше, чем нужно для 20 аминокислот. Работа закипела. Теперь расшифровка кода стала делом техники и упорства. Последнего ученым было не занимать. В работу включились биохимики Севере Очоа и Гобинд Корана. Заслугой Кораны стало создание методов синтеза различных молекул ДНК и РНК с определенными последовательностями троек нуклеотидов. С их помощью к 1966 году удалось раскрыть тайну всех 64 комбинаций. Как и ожидалось, генетический код оказался избыточным: многие аминокислоты кодируются не одним, а несколькими кодами. Три кодона УАА, УАГ и УГА не соответствовали никакой аминокислоте и получили название "нонсенс" (бессмысленные), что, впрочем, несправедливо, ведь эти кодоны играют очень важную роль - они стоят в конце мРНК и посылают "стоп-сигнал" рибосомам, оповещая о месте, где синтез полипептидной цепи должен закончиться. Два кодона АУГ и ГУГ работают "по совместительству". Они одновременно контролируют включение в белковую цепь определенных аминокислот, соответственно метионина и валина, и служат "старт-сигналами", обозначая, от какого знака (нуклеотида) нужно отсчитывать тройки, чтобы записанный в мРНК текст прочитывался правильно.
Важнейшее свойство генетического кода - его универсальность. Один и тот же шифр используется для записи аминокислотного со