Журнал Наука и жизнь, 2000 № 01

В рассказе об открытии белковой наследственности придется сделать небольшое отступление, вернее, начать рассказ заново, уже с другой точки. Возможно, это покажется нелогичным, но ведь именно так движется наука: каждый ученый идет своим путем, каждое открытие включает труд многих исследователей.

Обнаружение прионного типа инфекции стало первым шагом к открытию нового типа передачи наследственной информации.

Второе направление, подготовившее его, было связано с дрожжами. Дрожжи — один из самых удобных объектов молекулярной генетики и молекулярной биологии. Во-первых, это связано с тем, что популяция дрожжей включает огромное количество одноклеточных микроорганизмов, поэтому можно регистрировать очень редкие явления, происходящие в одном случае из миллионов. Во-вторых, дрожжи хорошо изучены: известны структуры всех генов дрожжей. В-третьих, дрожжи в генетическом плане устроены практически так же, как человек. Почти все белки, которые есть у человека, есть и у дрожжей, более того, часто эти белки взаимозаменяемы. И, наконец, дрожжи быстро размножаются, поэтому опыты не требуют длительного времени. Один из основателей школы генетики дрожжей в бывшем Советском Союзе — Сергей Георгиевич Инге Вечтомов. Сейчас в России дрожжами занимаются несколько групп ученых, среди них — лаборатория его ученика, профессора Михаила Давидовича Тер-Аванесяна в московском Кардиологическом научном центре.

Еще в 1964 году С. Г. Инге-Вечтомов обнаружил у дрожжей ген SUP35. Примерно в это же время британский исследователь Брайан Кокс нашел у дрожжей наследуемый признак, обладающий рядом уникальных свойств, трудно объяснимых с точки зрения обычных представлений о генетических явлениях. Позже в лаборатории Инге-Вечтомова были получены свидетельства того, что существование этого признака зависит от гена SUP35. Одновременно с исследованиями Инге-Вечтомова такие же результаты были получены в лабораториях Тер-Аванесяна и Кокса. Все данные свидетельствовали о том, что белок Sup35 может каким-то образом отвечать за проявление и наследование этого признака, причем это его свойство не связано с мутациями (структурными изменениями) в гене SUP35.

Обнаруженное явление оставалось необъяснимым до последнего времени, когда широкий интерес к прионам навел исследователей на мысль о сходстве белка Sup35 с прионами млекопитающих. Такое сходство предполагало, что белок Sup35 может иметь разную пространственную укладку, причем, находясь в прионной («аномальной») форме, белок может «наводить» такую форму на молекулы этого же белка, находящиеся в «нормальном» состоянии. Такую аналогию провел американский ученый Рид Викнер, выдвинув гипотезу, что дрожжи могут синтезировать белки, проявляющие прионные свойства. Правда, Прузинер применительно к прионам говорил об «инфекции», но ведь никто не наблюдал передачи вещества от одной клетки к другой через межклеточное пространство (а именно в этом заключается суть инфекции). Викнер предположил, что и в том, и в другом случае мы имеем дело с одним и тем же явлением, а именно с прямой передачей информации от белка к белку.

Чтобы оценить смелость гипотезы, надо вспомнить: вся современная генетика основывается на том, что наследственная информация передается через молекулы ДНК, которые могут удваиваться и передаваться потомству. Белки же синтезируются на основе информации, заложенной в ДНК. Цепочка передачи информации выглядит так: ДНК —»РНК —»белок. В свое время сенсацией явилось открытие так называемой «обратной связи»: оказалось, что информация может передаваться из РНК в ДНК. Но то, что информация, передаваемая по наследству, не может быть заложена в белках, никогда не подвергалось сомнению (если не считать теории Лысенко, научные взгляды которого, по оценкам современных ученых, были близки средневековым). Теперь же получалось, что признак может наследоваться без участия ДНК.

За исследование прионоподобных свойств дрожжевых белков взялись две лаборатории: группа американских ученых во главе с профессором Сьюзен Линдквист и лаборатория М. Д. Тер-Аванесяна. Позже к ним присоединились и другие. У американцев было лучшее оборудование, кроме того, они использовали в своей работе материалы, полученные нашими учеными. Но в данном случае сыграло роль то, что у наших генетиков были большие наработки по этой теме.

Статья М. Д. Тер-Аванесяна и его сотрудников появилась в июле 1996 года в журнале Европейской организации молекулярной биологии (ЕМВО Journal). В ней было показано, что белок Sup35 может образовывать агрегаты, подобные тем, которые создают прионы в «аномальной» форме. Уже в следующем месяце аналогичные результаты, полученные лабораторией Линдквист, были опубликованы в журнале «Science». Теперь нужно было доказать, что информация о пространственной форме передается напрямую от белка к белку.

И вот в 1997 году группа Тер-Аванесяна нашла такое доказательство. Опыт был поставлен в среде без ДНК. К Sup35 добавляли некоторое количество белка, находящегося в «аномальной» пространственной форме. Через некоторое время весь белок оказывался в «аномальной» конформации. Этот белок снова добавляли к «нормальному», и он опять переводил его в «аномальную» форму. Так повторялось много раз, пока доля исходного «аномального» белка не оказалась совершенно ничтожной, так что стало ясно: «аномальный» белок, образованный из «нормального», способен передавать свою пространственную форму другому, «нормальному», белку. Итак, был открыт новый механизм передачи наследственной информации — белковая наследственность.

Как ни странно, белок Sup35, на котором была открыта белковая наследственность, был для генетиков чем-то вроде «белого пятна» в науке. Ученые ничего не могли сказать о его функциях: зачем он нужен в организме? Но, вероятно, это был как раз тот случай, когда, как говорят, «идея носилась в воздухе». И вот, в то время как генетики занимались Sup35 с точки зрения его прионоподобных свойств, молекулярные биологи неожиданно пришли к разгадке его функций.

Когда девять лет назад началась эта история, никто из исследователей не мог предположить, что их работа приведет именно к выявлению функций белка Sup35. В то время Лев Львович Киселев и его коллеги из Института молекулярной биологии Российской академии наук занимались биосинтезом белков. В 1990 году известный американский ученый Т. Каски опубликовал статью, в которой описал белок, участвующий, по его мнению, в окончании процесса синтеза сложного вещества, состоящего из нескольких аминокислот, — полипептидной цепи. Однако этот белок был практически тождествен тому, структуру которого расшифровали наши ученые, но который, согласно нашим данным, участвовал не в окончании, а в начале указанного процесса. Не есть ли это противоречие здравому смыслу: два очень похожих белка не могут выполнять совершенно разные функции. Напрашивался вывод: Каски ошибся, его белок не заканчивал синтез, а участвовал в его начале. В 1993 году Л. Л. Киселев и его коллеги опровергают работу Каски, и уже в следующем году сам Каски подтверждает, что его выводы были ошибочны.