Джеймс Уотсон - ДНК. История генетической революции

До изобретения технологий планомерного выращивания вирусов в средах для культивирования клеточных культур (эти методологии разработали Гарри Игл из Национальных институтов здравоохранения и Ренато Дульбекко, тогда трудившиеся в Калифорнийском технологическом институте) те впечатляющие наработки 1970-х, показавшие, как именно вирусы вызывают рак, или были бы просто невозможными, или же продвигались бы с черепашьей скоростью. Не менее важную роль для быстрого прогресса в этой сфере сыграла растущая доступность радиоактивных изотопов, которыми помечают основные компоненты вирусных нуклеиновых кислот. Многие талантливейшие интеллектуалы, решившие заняться биологией и медициной после открытия двойной спирали, разумно присоединились к поиску вирусных генов, вызывающих рак.

У многоклеточных животных циклы роста и деления большинства клеток происходят не самопроизвольно, а требуют внешнего сигнала – такой сигнал дают гормоны, поступающие из других органов. Таким образом, клетки делятся лишь тогда, когда организму это требуется. Большинство этих белковых сигналов для запуска/перезапуска клеточного роста либо воздействуют на поверхность клетки (например, эпидермальный фактор роста связывается с соответствующим рецептором), либо опосредуются гормонами роста, поступающими через цитоплазму к ядру, где связываются с рецепторами гормонов, расположенными в ядерном хроматине (таков, например, рецептор эстрогена). Так запускается синтез определенных факторов транскрипции. Многие белки, покрывающие поверхность клеток растущего эмбриона, – это рецепторы факторов роста. Прямо под ними, на внутренней стороне клеточной мембраны, находятся погруженные в цитоплазму другие важные сигнальные белки, например RAS и фосфоинозитид-3-киназа (PI3Ks), которые передают сигналы, стимулирующие рост, на рибосомы – клеточные органеллы, где синтезируются белки для сборки новых клеток.

Механизм репликации вируса саркомы Рауса впервые предсказали в Университете Висконсина в начале 1960-х. Говарда Темина озадачил вопрос, почему размножение этого вируса в мышиных клетках блокируется актиномицином, ингибитором синтеза ДНК. Темин предположил, что первый этап размножения этого вируса заключается в синтезе одноцепочечных нитей ДНК, комплементарных одноцепочечным матрицам РНК, вызывающим инфекцию. Получающиеся в результате двойные спирали, состоящие из ДНК и РНК, затем должны рекомбинироваться в одну или несколько мышиных хромосом, пока возникают провирусы саркомы Рауса, то есть пока вирусные геномы встраиваются в клетки хозяина. При дальнейшей транскрипции этих провирусных последовательностей ДНК генерируются новые цепочки РНК вируса саркомы Рауса. Таким образом, Темин обнаружил вирусы, обладающие активностью обратной транскриптазы и существующие как провирусы в ДНК клеток животных.

Провирусная гипотеза Темина была подтверждена в 1970-е годы, когда он сам и Дейвид Балтимор из Массачусетского технологического института независимо друг от друга открыли, что обработанные детергентом разорванные вирусные частицы встраивают дезоксинуклеозидтрифосфаты в растущую цепочку ДНК. В присутствии фермента рибонуклеазы, расщепляющего РНК, ДНК не образуется – таким образом, шаблоном для ее синтеза служит вирусная РНК. Такой синтез катализирует фермент обратная транскритаза, отвечающая за построение ДНК. Этот фермент кодирует один из четырех генов, линейно расположенных вдоль единственной цепочки ДНК у вируса саркомы Рауса. Длина его ДНК около шести тысяч оснований. Таким образом, способность РНК-содержащих вирусов поражать клетки тканей человека и животных – это следствие так называемой обратной транскрипции, то есть возможности передачи генетической информации не от ДНК к РНК, затем к белку (транскрипция), а наоборот, от молекулы РНК к ферменту ДНК – полимеразе (ревертазе) и уже от него к клетке, которая в результате перерождается в опухолевую. (За открытия, касающиеся взаимодействия между опухолевыми вирусами и генетическим материалом клетки, Темин и Балтимор были совместно удостоены Нобелевской премии в 1975 году). Два из этих генов получили название Gag и Env – они кодируют у вируса саркомы Рауса соответственно внутренние (связывающиеся с РНК) и внешние структурные белки оболочки. В конце генома РНК расположен ген Src – он кодирует фермент, который фосфорилирует тирозиновые остатки и обеспечивает базовый внутриклеточный регуляторный этап в самом начале биохимического пути, по которому внешние сигналы, стимулирующие рост клетки, передаются с мембраны к клеточному ядру.

Следующее важное открытие также было отмечено Нобелевской премией. Его совершили Майк Бишоп и Гарольд Вармус из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, определившие, что во всех клетках позвоночных содержится неонкогенный вариант гена Src , очень похожий на тот, что кодирует вирусную саркому Рауса. Они выявили первый человеческий онкоген. Естественно, Бишоп был польщен, когда однажды рано утром в 1989 году его разбудил звонок из Стокгольма, но тем не менее настаивал на более раннем времени своей пресс-конференции, чтобы успеть в тот вечер поболеть за любимую команду «Сан-Франциско Джайентс», вышедшую в плей-офф главной лиги бейсбола. Вскоре исследователи открыли и неканцерогенные варианты других вирусных онкогенов, в частности RAS -онкогенов (они встречаются в трех вариантах: H, K и N). Подобные гены передают сигналы, стимулирующие рост, от многочисленных мембранных рецепторов факторов роста. Такие онкогены, как рецептор HER2 (из семейства эпидермальных факторов роста), часто амплифицируются в раковых клетках; при их наличии соответствующие нисходящие пути роста всегда активны. Напротив, в нормальных клетках ген HER2 почти все время неактивен.

Воздействие мутантных онкогенов, таких как EGFR, HER2, RAS и P13K , можно сравнить с ситуацией, когда педаль газа все время выжата до упора – из-за этого клетка-хозяин неконтролируемо растет и делится. Напротив, при мутациях в генах иного класса, так называемых опухолевых супрессорах, эти гены действуют, скорее, как заклинившие тормоза, отключающие жизненно важные защитные механизмы клетки. Люди, унаследовавшие дефектный опухолевый супрессор, в некотором смысле находятся на краю пропасти: если будет повреждена вторая, последняя копия этого гена, то у них вполне может развиться рак. Среди опухолевых супрессоров можно назвать PTEN , подавляющий метаболизм роста, а также p53 и RB – в нормальной ситуации эти гены препятствуют запуску деления митотических клеток.

Работу этих генов впервые красочно продемонстрировали Берт Фогельштейн ( Bert Vogelstein ), Кеннет Кинцлер ( Kenneth Kinzler ) и их коллеги из Университета им. Джона Хопкинса, показавшие, что сбои в работе некоторых онкогенов и опухолевых супрессоров накапливаются до тех пор, пока не спровоцируют возникновение и прогрессирование рака прямой кишки.