Сиддхартха Мукерджи – Ген. Очень личная история (страница 40)

И это действительно был магний. Он оказался критически важным: в растворе с добавлением его ионов рибосома оставалась целой, и Бреннеру с Жакобом наконец удалось выделить из бактериальных клеток мизерное количество молекулы-посредника[545]. Как и ожидалось, это была РНК[546] – но РНК особого типа[547]. Она производилась всякий раз при экспрессии гена и, подобно ДНК, строилась путем сборки в цепочку нуклеотидов с одним из четырех оснований – А, Г, Ц и У (вместо Т, характерного для ДНК). Что примечательно, Бреннер и Жакоб позже обнаружили, что матричная РНК – это факсимиле цепочки ДНК, точнейшая копия, «снятая» с оригинала. После производства РНК-копия гена перемещается из ядра в цитоплазму, где это послание расшифровывается: по нему строится белок. Матричная РНК не походила на обитателя ни ада, ни рая – она была лишь профессиональным посредником. Построение РНК-копии гена назвали транскрипцией – как если бы слово или предложение переписывалось языком, близким к оригиналу. Нуклеотидная последовательность гена, выраженная алфавитом ДНК (АТГГГЦЦ…), просто переписывалась похожим алфавитом РНК (АУГГГЦЦ…).

Все это напоминало процесс перевода книг в библиотеке редких изданий. Оригинальный источник информации (ген) постоянно находится где-то в недрах хранилища. Когда от клетки поступает «запрос на перевод», из ядерного хранилища наружу посылается фотокопия оригинала. Это факсимиле гена (РНК) – рабочий экземпляр для трансляции (перевода на язык белков). Благодаря такой организации процесса в обращении может быть одновременно множество копий гена, и их количество может снижаться или повышаться по требованию. Скоро ученым стало ясно, что эти факты играют решающую роль в понимании функций гена и его активности.

Но транскрипция решала задачу синтеза белка только наполовину. Оставалась другая: перекодирование информации из РНК-послания в белок. Чтобы создать РНК-копию гена, клетка использует довольно простое правило переноса: каждый А, Ц, Т и Г в гене соответствует А, Ц, У и Г в матричной РНК (например, АЦТ ЦЦТ ГГГ → АЦУ ЦЦУ ГГГ). Единственное отличие РНК-копии от оригинального гена – замена тимина на урацил (Т → У). Но как же генетическая информация после перевода в РНК перекодируется в белок?

Уотсон и Крик сразу поняли, что ни одно основание по отдельности – А, Ц, Т или Г – не может нести достаточно генетической информации для построения какой бы то ни было части белка. Ходовых аминокислот в общей сложности 20, а четыре буквы поодиночке никак не могут определять 20 альтернативных вариантов. Секрет, видимо, крылся в комбинациях оснований. «Похоже, определенная последовательность оснований[548] и есть код, несущий генетическую информацию», – написали Уотсон и Крик.

Эту мысль можно проиллюстрировать на примере естественного языка. Буквы К, Т и О сами по себе несут мало смысла, но их можно скомбинировать несколькими способами и получить «послания» с заметно разными значениями. Здесь смысл тоже определяется последовательностью: скажем, слова кот, ток и кто[549] состоят из одних и тех же букв, но означают совершенно разное. Ключ к разгадке реального генетического кода – установить соответствие между элементами нуклеотидной последовательности РНК и элементами аминокислотной последовательности белка. Розеттский камень генетики должен был поведать, какая комбинация букв (в РНК) какую комбинацию букв (в белке) определяет.

Представим в виде схемы:

В серии остроумных экспериментов Крик и Бреннер выяснили, что генетический код наверняка «триплетен»: тройка оснований в ДНК (например, АЦТ) должна определять одну аминокислоту в белке[550].

Но какой триплет какую аминокислоту кодирует? К 1961 году за разгадку генетического кода боролись уже несколько лабораторий из разных стран. В Национальном институте здоровья в Бетесде Маршалл Ниренберг, Генрих Маттей и Филип Ледер пытались взломать код с помощью биохимического подхода. Химик индийского происхождения Хар Корана получил необходимые для этого реагенты. А в Нью-Йорке биохимик-испанец Северо Очоа параллельно начал сопоставлять триплетные кодоны с аминокислотами.

Как и при любом взламывании кода, процесс продвигался путем проб и ошибок. Сначала казалось, что триплеты перекрываются друг с другом – и это убивало надежду на простоту кода. Потом какое-то время считали, что есть вообще не работающие триплеты. Но к 1965 году все эти исследования – и в особенности работа группы Ниренберга – дали результат: для каждой аминокислоты удалось найти триплет ДНК, который ее кодирует. Например, АЦТ кодирует треонин, ЦАТ – гистидин, ЦГТ – аргинин. Таким образом, на основе последовательности ДНК – например, АЦТ ГАЦ ЦАЦ ГТГ – выстраивается цепь РНК, а она, в свою очередь, транслируется в цепь аминокислот, в конечном счете формирующую белок. Оказалось, что один триплет (АТГ) сигнализирует о начале синтеза белка, а три других (ТАА, ТАГ, ТГА) – о его остановке. Базовый генетический алфавит и принципы генетического кодирования наконец были установлены.

Поток информации в клетке легко изобразить:

Или концептуально:

Или конкретнее:

Фрэнсис Крик назвал этот поток центральной догмой биологической информации. Слово «догма» казалось странным выбором (позже Крик признался, что никогда четко не понимал лингвистического смысла этого слова, подразумевающего незыблемое, не допускающее сомнений убеждение или верование), но вот к «центральной» претензий быть не могло. Крик имел в виду поразительную универсальность потока генетической информации, пронизывающего весь биологический мир[551]. От бактерий до слонов, от мушек с красными глазами до принцев с голубой кровью – биологическая информация течет сквозь все живые системы в соответствии с общим, архетипичным принципом. ДНК предоставляет инструкции для построения РНК. РНК поставляет инструкции для построения белка. А белки в конечном счете обеспечивают построение и функционирование организма – претворяют гены в жизнь.

Пожалуй, ни одна болезнь не проиллюстрирует природу информационного потока и глубину его влияния на человеческую физиологию лучше, чем серповидноклеточная анемия. Уже в VI веке до н. э. практикующие Аюрведу индийцы распознавали анемию – дефицит нормальных красных кровяных клеток – по важнейшему симптому: бледности губ, кожи и пальцев. Анемии на санскрите называли панду рога и делили на несколько категорий. Одни варианты болезни относили на счет нарушений питания. Другие объясняли эпизодами кровопотери. Серповидноклеточная анемия, вероятно, казалась аюрведистам самой странной: это наследственная болезнь, и течет она часто приступообразно, с ознобами и внезапными эпизодами боли в костях, суставах, грудной клетке. Западноафриканский народ га назвал эту боль чвечвичве (избиение тела). Эве окрестили ее нуйдуйдуй (скручивание тела). Видимо, эти звукоподражательные термины должны были передавать ощущение неослабевающей боли, которая штопором вгрызается в кости.

В 1904 году одна увиденная в микроскоп картина[552] раскрыла единую причину всех этих, казалось бы, разрозненных симптомов. В тот год в Чикаго юный студент-стоматолог Уолтер Ноэль предстал перед своим врачом с анемическим кризом, который сопровождался характерной болью в груди и конечностях[553]. Ноэль был родом с Карибских островов, имел западноафриканские корни и за прошедшие годы успел пережить несколько таких эпизодов. Исключив сердечный приступ, кардиолог Джеймс Херрик решил скинуть этот случай на какого-нибудь ординатора. Фортуна указала на Эрнеста Айронса. По странной прихоти тот решил взглянуть на кровь Ноэля под микроскопом.

И Айронс увидел нечто ошеломляющее. Нормальные эритроциты имеют форму вогнутых по центру дисков, благодаря чему могут складываться в стопки и легко путешествовать по сети артерий, капилляров и вен, доставляя кислород в печень, сердце и мозг. Однако клетки в крови Ноэля загадочным образом превратились в сморщенные полумесяцы или серпы – стали «серповидными», как позже описал их Айронс.

Но что заставило красные кровяные клетки принять форму серпа? И почему эта болезнь передается по наследству? Виновником оказалось врожденное нарушение в гене гемоглобина – белка, который переносит кислород и содержится в эритроцитах в больших количествах. В 1951 году Лайнус Полинг, работая в Калтехе[554] вместе с Харви Итано, показал, что в серповидных клетках содержится вариант гемоглобина, отличный от гемоглобина нормальных клеток. Пять лет спустя ученым из Кембриджа удалось уточнить отличие полипептидных цепочек такого варианта гемоглобина от нормального: это была замена всего одной аминокислоты[555].

Но если белок отличается единственной аминокислотой, то в гене должен быть изменен всего один триплет («один триплет кодирует одну аминокислоту»). Это предположение позже подтвердилось. Когда ген бета-глобина (β-цепи гемоглобина) нашли и «прочитали» у здоровых и больных серповидноклеточной анемией, у последних обнаружили замену всего одного триплета: ГАГ на ГТГ. Из-за этого в β-цепи одна аминокислота, глутамат, замещается другой, валином. Такое изменение приводит к тому, что цепи гемоглобина сворачиваются по-другому: вместо аккуратных, изящных структур, похожих на застежку, мутантные белки[556] сбиваются внутри эритроцитов в цепочки. Эти цепочки, особенно при дефиците кислорода, вырастают настолько длинными, что деформируют мембрану эритроцита, и нормальный диск постепенно превращается в искривленную серповидную клетку. Такие клетки уже не могут легко проскальзывать через капилляры и вены и в разных частях тела сбиваются в микросгустки, нарушая кровоток и вызывая приступы мучительной боли.