Тимо Зибер - Дикие гены

Разгадали тайну опять-таки люди, от которых этого никто не ждал: Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи, работавшие в Национальных институтах здравоохранения США. Разумеется, они не были участниками клуба. В своей работе Ниренберг и Маттеи не стали концентрироваться на сверхсложных моделях кодирования, а с помощью элегантного эксперимента показали, что кодон РНК УУУ кодирует аминокислоту фенилаланин (кстати, это произошло 15 мая 1961 года в три часа ночи, то есть, как и в большинстве научных открытий, здесь не обошлось без большого количества кофе).

В августе того же года Ниренберг представил свои работы на крупном конгрессе в Москве. В ту пору ему было тридцать с небольшим лет, и он еще не мог похвастаться особо выдающимися достижениями. Он был никому не известен и сам никого не знал. Поэтому его доклад прозвучал перед небольшой группой, состоявшей из 30 ученых, да и те не проявили к нему жгучего интереса (Ниренберг впоследствии рассказывал, что публика была «абсолютно мертвой»). Вполне могло случиться, что это великое открытие так и пропало бы, не удостоившись ничьего внимания. Но, как это часто бывает, накануне Ниренберг встретился с Уотсоном и сообщил ему о своих достижениях. Уотсон отнесся к ним скептически, но должность «оптимиста клуба» обязывала его проявить внимание, и он попросил одного знакомого взглянуть на доклад. Тот доложил, что данные производят весьма солидное впечатление, и Уотсон передал эту информацию Крику, который попросил организаторов конференции дать Ниренбергу возможность повторить свой доклад на следующий день. На этот раз перед почти тысячей слушателей, которые аплодировали ему стоя.

Разумеется, этот успех послужил стартовым выстрелом для новой научной гонки, целью которой теперь являлась расшифровка остальных кодонов. И Ниренберг наверняка проиграл бы эту гонку более крупным и уважаемым лабораториям, если бы многочисленные коллеги из его института не проявили готовность отложить в сторону свою работу, чтобы помочь ему. Порой коллегиальность свойственна даже ученым.

Только пять лет спустя, в 1966 году, удалось понять значение всех 64 кодонов. И знаете, что еще произошло в 1966 году? Впервые по телевизору был показан сериал «Звездный путь». Как, по-вашему, отреагировал бы его персонаж Спок на расшифровку генетического кода? «Потрясающе» или «Это не логично»? Возможно, и то и другое, потому что по сравнению с элегантными моделями «Клуба галстуков РНК» этот код выглядел неуклюже и совсем нелогично. Он никак не объяснял, почему аминокислот только двадцать. В нем не прослеживалось логической связи между кодонами и отдельными аминокислотами. Все объяснялось простой случайностью. Гамов и его коллеги наверняка были сильно разочарованы банальностью своего наследственного материала. Крик говорил впоследствии, что в основе кода лежит случай, происшедший в самом начале зарождения жизни, да так и сохранившийся с тех пор в ДНК.

Но перейдем к деталям. Из 64 кодонов 61 используется для кодирования аминокислот. Для одних кислот требуется до шести кодонов, для других хватает и одного. Если для кодирования одной аминокислоты нужно несколько кодовых слов, такой код называют вырожденным (звучит не очень-то приятно). Остальные три кодона не используются в производстве аминокислот, а служат так называемыми стоп-кодонами, которые сигнализируют: «На этом синтез белка заканчивается. Пожалуйста, больше не добавляйте новые аминокислоты». О начале сборки белка сигнализирует кодон, который одновременно отвечает за синтез аминокислоты метионина.

Итак, теперь мы знаем, как выглядит план синтеза белков, с чего он начинается, как кодируются аминокислоты и чем все заканчивается.

Это уже неплохо, но одной только инструкции недостаточно. Представьте себе следующую ситуацию: у вас есть план сооружения западни для тигра. В ней написано: «Вырой яму, прикрой ее тонкими ветками и положи аппетитную приманку». Вы берете лопату и принимаетесь за работу. Через несколько часов, когда вы стоите перед готовой западней, утирая пот и грязь со лба, к вам вдруг на всех парах несется мать вашего лучшего друга и кричит: «Ну где тебя носит? Свадебная церемония уже начинается. И зачем ты поставил торт посреди дороги-и-и

и

и

и

и?!»

Вы поняли, в чем проблема? План прекрасно сработал (о чем свидетельствует гневный голос, доносящийся из ямы), но время и место были выбраны неправильно. То же самое и с генами. Здесь тоже чрезвычайно важно, в каких клетках и с какой интенсивностью они начнут работать. Каким образом происходит регулирование генных функций, было показано в 60-е годы с помощью так называемого лактозного оперона.

Если предложить бактериям (в данном случае кишечным бактериям Escherichia coli – любимцам молекулярных биологов) питательный раствор с виноградным сахаром (глюкозой) и молочным сахаром (лактозой), то сначала перерабатывается весь виноградный сахар, поскольку он питательнее и легче усваивается. Только после этого бактерии принимаются за молочный сахар.

На генном уровне это выглядит следующим образом: лактозный оперон содержит план по синтезу белка, который отвечает за усвоение бактериями молочного сахара. Контроль за запуском этого плана и его интенсивностью осуществляется так называемым промотором – участком ДНК, который находится в непосредственной близости от места сборки белков. Он берет на себя функции центра управления. Если в клетке нет молочного сахара, центр управления заблокирован. За это отвечает лактозный репрессор – белок, который присоединяется к ДНК и мешает считывать инструкции. Это можно сравнить с ситуацией, когда вы в какой-то день решили ответить на все послания по электронной почте, но, как назло, постоянно звонит телефон и мешает вам. На одно-два письма вы еще как-то сможете ответить, но об эффективной работе можно забыть.

То же самое происходит и с лактозным опероном. Несмотря на помехи репрессора, он все же производит небольшое количество белков, но до тех пор, пока имеется виноградный сахар, эти белки не активизируются. И только когда вся глюкоза заканчивается, в клетку начинает поступать молочный сахар. Там он присоединяется к репрессору, который после этого отделяется от ДНК. Теперь лактозный оперон активизируется и начинает полным ходом производить белки до тех пор, пока не закончится весь молочный сахар. Затем репрессор вновь присоединяется к промотору и отключает его.

Если процесс переработки молочного сахара показался вам слишком скучным, у нас есть еще один пример генного регулирования. Это ген под названием Супермен, играющий важную роль в развитии мужских половых признаков цветка Arabidopsis thaliana (еще одного любимого объекта для биологических экспериментов). Небиологи пренебрежительно называют его сорняком. Активность Супермена сдерживается белком, за кодирование которого отвечает ген Криптонит. Кстати, существует и ген, обладающий очень большим сходством с Суперменом, но не столь сильный. Его название – Кларк Кент [1] Супермен и Кларк Кент – персонажи популярной серии комиксов; Криптонит – вымышленное вещество из этих же комиксов. – Прим. перев. .