Ольга Шестова - 30 Нобелевских премий: Открытия, изменившие медицину [litres]

Таким образом было установлено, как устроен механизм клетки, осуществляющий нуклеиново-белковый перевод. Теперь оставалось решить, какую роль в процессе играют РНК и как весь этот механизм взаимодействует в пространстве клетки с ее ядром, в котором находится ДНК, и рибосомами, где фактически происходит сборка белков. Этим занялся Роберт Холли. Основываясь на расшифрованном Ниренбергом триплетном коде для аминокислоты фенилаланина, он синтезировал молекулу транспортной РНК с соответствующим нуклеотидным составом.

Теперь стало понятно, что существует как минимум три типа РНК, взаимодействующих друг с другом в процессе синтеза молекул белка: информационная (или матричная), рибосомная и транспортная (о еще одном типе РНК – интерферирующей – см. в главе «РНК-интерференция – «контролер» генетической информации»). Информационная РНК копирует генетический код с ДНК в клеточном ядре и переносит генетическую реплику к рибосомам в цитоплазму клетки. Транспортная РНК, которая содержит специфическую нуклеотидную последовательность для каждой аминокислоты, захватывает предназначенную ей нуклеотидным кодом аминокислоту и транспортирует ее в цитоплазме к рибосомам, где белки и синтезируются при участии рибосомной РНК.

Холли и его коллеги обнаружили также, что транспортная РНК имеет биологически активную вторичную структуру в дополнение к первичной. Первичная структура представляет собой последовательность основания в нуклеотидной цепи. Вторичная структура транспортной РНК показывает, в каких местах витки спирали контактируют друг с другом. Эта структура напоминает трехлистный клевер. Последовательность нуклеотидов в «среднем листке» комплементарна соответствующему участку информационной РНК, то есть может с ней связываться. Эта комплементарность между транспортной и информационной РНК обеспечивает правильное расположение аминокислот в составе белка.

Награждая троих лауреатов, представитель Нобелевского комитета сказал: «В 1958 году в своей нобелевской лекции Эдуард Тейтем заглянул в хрустальный шар, чтобы предсказать грядущие события в молекулярной биологии. В нем он увидел, что до разгадки генетического кода доживут по крайней мере некоторые из присутствовавших в зале. В то время это было смелым пророчеством, больше похожим на фантазию. Однако не прошло и трех лет, как были расшифрованы первые буквы кода, а благодаря вашей смекалке природа кода и бóльшая часть его функций в синтезе белка стали известны менее чем за восемь лет. Вместе вы написали самую захватывающую главу в современной биологии».

Во время Второй мировой войны Роберт Холли прервал исследования по органической химии в Корнеллском университете, а также прекратил работу в медицинском колледже и присоединился к группе американских ученых, которая впервые синтезировала пенициллин – антибиотик, открытый Флемингом в 1928 году.

«Их исследование открывает фантастические возможности: копировать людей в лабораториях, массово создавать гениев, рабочих, преступников», – так говорили на шведском телевидении о лауреатах Нобелевской премии по физиологии и медицине 1978 года. Телевизионщики нисколько не шутили, хотя несколько приукрасили реальность, которая, впрочем, была (и остается!) чрезвычайно захватывающей без всяких преувеличений.

Открытия Вернера Арбера, Даниела Натанса и Хамилтона Смита ознаменовали начало новой эры в развитии генетики. Как наука она сформировалась более 150 лет назад, начавшись с экспериментов Грегора Менделя (он доказал, что у нас есть гены, каждый из которых выполняет конкретную функцию и передается из поколения в поколение). Вторая эра генетики началась в 1940–50-х годах, когда была установлена ключевая роль ДНК в хранении и передаче наследственной информации. Генетика стала молекулярной, приобрела химическую основу. Ученые узнали, что ген представляет собой фрагмент ДНК, которая содержит код для синтеза белков. Были сделаны фундаментальные открытия в области молекулярной генетики, в 1960–70-х годах более четверти Нобелевских премий по физиологии или медицине вручались за исследования именно в этой области.

Большинство опытов проводилось на бактериях и вирусах, но результаты их применимы к людям. Однако жизнедеятельность человеческого организма зависит от множества управляемых генами биологических процессов, которых нет у микроорганизмов. Перед учеными стояло много вопросов. Например, было непонятно, как генетически регулируется развитие одной оплодотворенной яйцеклетки в полноценный уникальный организм? Какой механизм заставляет клетки различных органов сохранять свои специализированные функции? В течение 1950–60-х годов ученые интенсивно работали, чтобы ответить на эти вопросы, но им казалось, что они стучатся в закрытую дверь.

Трудности в этой области исследований возникали в основном из-за колоссального количества информации, содержавшейся в генах. ДНК одной клетки человека можно сравнить с книгой, где описывается вся история развития этой клетки и информация о ее функционировании. Текст, написанный на одной странице этой книги, будет соответствовать одному гену, содержащему информацию, необходимую для синтеза одного белка. А вся книга будет состоять из миллиона страниц, для нее потребовалась бы книжная полка длиной в тысячу метров. При каждом делении клетки вся эта условная книга копируется, а единственная ошибка на одной из страниц может привести к болезни или смерти. Изменить текст этой книги могут химические вещества или вирусы – и это приводит к онкологическим заболевания, врожденным порокам развития или к наследственным заболеваниям. Если ученый захочет прочитать книгу и найти самые опасные опечатки, то он обнаружит, что ее страницы склеены. Как же можно разделить листы, не повредив при этом текст?

Открыть запечатанную книгу позволяют ферменты рестрикции. Швейцарец Вернер Арбер обнаружил их в начале 1960-х годов, когда изучал изменения, которые происходят в бактериях под воздействием инородной ДНК. Этот процесс называют модификацией, контролируемой клеткой-хозяином. В серии простых, но эффектных экспериментов Арбер показал, что это явление было вызвано изменением ДНК и, видимо, служило для защиты хозяина от чужеродных генов. Чужеродная ДНК, попавшая в бактерию, разрушалась. Поэтому ученый предположил, что бактерии содержат ферменты рестрикции, которые способны распознавать повторяющиеся структурные элементы ДНК и связываться с ними. В местах связывания нити ДНК разъединялись – открывались страницы книги.