Глава первая. Введение в молекулярную биологию гена

1.1. Начало молекулярной биологии гена

В конце 60-х годов XIX в., т. е. немногим более 100 лет назад, произошли два важных научных события, положивших начало современной биологической науке. Чехословацкий монах-естествоиспытатель Грегор Мендель открыл гены, а швейцарский химик Фридрих Мишер открыл ДНК.

Однако потребовалось еще около трех четвертей века, чтобы понять, что гены - это ДНК. В конце 1930-х - начале 1940-х годов на основании цитологических и цитохимических опытов Т. Касперссон в Швеции, Ж. Браше в Бельгии и Б. В. Кедровский в нашей стране сделали предположение о прямом участии нуклеиновых кислот в биосинтезе белка. К сожалению, начавшаяся война помешала публикации работ Б. В. Кедровского, и поэтому его вклад обычно не вспоминается. Цитологические исследования не давали, однако, однозначного доказательства генетической роли нуклеиновых кислот.

В 1944 г. американские ученые О. Эйвери и М. Мак-Карти в прямых опытах показали, что определенный генетический признак (форму колоний) можно перенести от одной линии бактерий к другой, обработав последнюю чистой ДНК, выделенной из первой линии. Отсюда уже однозначно следовал вывод, что гены - это ДНК.

Наконец, в 1953 г. произошло событие, непосредственно положившее начало молекулярной биологии. Американец Джеймс Уотсон и англичанин Фрэнсис Крик в Кембридже расшифровали структуру ДНК - двойную спираль. Их работа базировалась на данных М. Уилкинса и Р. Франклин (Великобритания) по рентгеноструктурному анализу ДНК и на данных Э. Чаргаффа (США) о нуклеотидном составе ДНК- Драматическая история открытия структуры ДНК прекрасно описана в книге Дж. Уотсона "Двойная спираль".

Это открытие сразу прояснило механизм удвоения, "репликации", генов через образование комплементарных пар G-С и А-Т (G - дезоксигуаниловая, С - деоксицитидиловая, А - дезоксиадениловая, Т - тимидиловая кислоты). Стал ясен молекулярный механизм наследования. Поэтому 1953 г. считают обычно годом рождения молекулярной биологии. Примерно в это же время сформировались идеи о том, что перенос генетической информации от ДНК к белку идет через РНК, т. е. в клетке существует информационная цепочка ДНК→РНК→белок. Эти представления были подкреплены выделением ферментов синтеза ДНК по матрице ДНК и синтеза РНК по матрице ДНК, т. е. ДНК-зависимых ДНК-полимеразы и РНК-полимеразы.

Одновременно в начале 50-х годов нашего столетия было твердо установлено, что синтез белка происходит в рибосомных частицах, содержащих РНК и белок. Предполагали, что рибосомная РНК участвует и в передаче информации от ДНК к белку. Однако в конце 1950-х годов А. Н. Белозерский и А. С. Спирин (Институт биохимии им. А. Н. Баха АН СССР) показали, что в то время, как нуклеотидный состав ДНК у разных бактерий варьирует в широких пределах, нуклеотидный состав РНК является весьма монотонным. Наблюдалась лишь небольшая корреляция между нуклеотидным составом ДНК и РНК/ Стало очевидным, что рибосомная РНК не может считываться с разных участков ДНК, т. е. она, вероятно, не несет информационной нагрузки. Возникло представление, что такую роль может выполнять особая фракция РНК, составляющая малую долю от всей РНК клетки.

Тогда же было обнаружено, что РНК, синтезирующаяся в клетках при заражении их бактериофагом, по своему нуклеотидному составу резко отличается от общей, т. е. рибосомной РНК бактерии, и соответствует ДНК бактериофага. Эта РНК была названа ДНК-подобной. Предполагалось, что она участвует в переносе генетической информации от ДНК к РНК-

В 1960-1961 гг. Ф. Жакоб и Ж. Моно (Франция) на основании генетического изучения индуцированного синтеза ферментов у микроорганизмов сделали ряд важных выводов. Они доказали, что передача информации от ДНК к белку осуществляется короткоживущим соединением, очевидно, особой РНК, которую они назвали мРНК (messenger RNA). В 1961 г. две группы исследователей подтвердили предсказание о существовании мРНК и изолировали ее из бактериальных клеток. Оказалось, что мРНК составляет лишь несколько процентов от всей РНК и что она в основной своей массе весьма нестабильна, распадаясь после того, как с ее участием произойдет несколько циклов белкового синтеза.

Открытие мРНК совпало во времени с первыми работами по расшифровке генетического кода, которая была завершена в начале 60-х годов.

Таким образом, сформировалась молекулярная биология, и прежде всего молекулярная биология гена.

Большинство работ на этом первом этапе было выполнено на простых системах, бактериях и их вирусах, бактериофагах, т. е. на прокариотах - организмах, лишенных клеточного ядра, в отличие от ядерных организмов - эукариот. Эукариотические организмы, животные и растения, не были популярны как объект, поскольку они устроены гораздо сложнее и имеют намного больший по величине генетический аппарат. Поэтому ожидалось, что при работе с ними легко можно получить ошибочные результаты. В связи с этим лишь сравнительно небольшое число групп начали в конце 1950-х годов работы по изучению процессов передачи генетической информации у эукариотических организмов, стараясь, в частности, найти специфические для них особенности. Одной из них была наша группа в лаборатории И. Б. Збарского (Институт морфологии животных им. А. Н. Северцова АН СССР), позднее (в 1963 г.) перешедшая по приглашению В. А. Энгельгардта в виде новой лаборатории биосинтеза нуклеиновых кислот в Институт молекулярной биологии АН СССР.