Сиддхартха Мукерджи – Ген. Очень личная история (страница 51)

С 1955 по 1962 год Сэнгер определил первичные последовательности еще нескольких важных белков, пользуясь разными вариантами того же подхода, но вот проблемы секвенирования ДНК он особо не касался. Это были, как он писал, его «семь тощих лет»[633], прожитых в тени собственной славы. Публиковался Сэнгер редко. Его невероятно детальные работы были посвящены секвенированию белков и оценивались коллегами как ведущие в области, но сам он не считал это значимым достижением. Летом 1962-го Сэнгер перебрался[634] в другую кембриджскую лабораторию, в здание Совета по медицинским исследованиям, где его окружили новые соседи, в том числе Крик, Перуц и Бреннер – известные адепты культа ДНК.

Смена лаборатории повлекла за собой благодатную смену научных интересов. Одни ученые, как Крик и Уилкинс, питали страсть к ДНК с самого начала. Другие – Уотсон, Франклин, Бреннер – подхватили ее со временем. Фредерику Сэнгеру ДНК навязали.

В середине 1960-х Сэнгер переключился с белков на нуклеиновые кислоты и начал серьезно обдумывать секвенирование ДНК. Но подход, великолепно показавший себя в работе с инсулином, – щепить и растворять, щепить и растворять – для ДНК не подходил. Химическая структура белков такова, что аминокислоты можно последовательно отрывать от цепочки, для ДНК же подобного инструмента не существовало. Сэнгер пробовал как-то приспособить свою технологию деградации, но эксперименты всегда выливались в химический хаос. Нарезанная и растворенная ДНК несла уже не генетическую информацию, а сплошную белиберду.

Озарение пришло к Сэнгеру внезапно, зимой 1971 года, в форме методологической инверсии. Он десятки лет учился разбирать молекулы на части, чтобы понять их структуру. Но что, если он перевернет свою стратегию и попробует не разрушать ДНК, а строить ее? Чтобы понять ген, рассудил Сэнгер, вы должны думать как ген. Клетки строят гены постоянно: всякий раз перед своим делением они создают копию каждого гена. Если бы биохимик мог оседлать ДНК-полимеразу, когда та создает копию гена, и документировать один за другим все добавляемые нуклеотиды – А, Ц, Т, Г, Ц, Ц, Ц и так далее, – то он узнал бы структуру гена. Это напоминало бы подсматривание за копировальной машиной: по копии можно было бы реконструировать изначальный объект. Зеркальное отражение всегда проливает свет на оригинал, и Дориан Грей воссоздается, фрагмент за фрагментом, по своему портрету.

В 1971-м Сэнгер начал разрабатывать технологию секвенирования генов на основе копирующей реакции ДНК-полимеразы. (В Гарварде Уолтер Гилберт и Аллан Максам тоже создавали систему чтения ДНК, но с другими реактивами. Их способ работал, но его быстро вытеснил метод Сэнгера.) На первых порах метод Сэнгера был малоэффективным и часто не срабатывал по необъяснимым причинам. Одна из причин проблемы заключалась в слишком высокой скорости реакции копирования: полимераза мчалась вдоль участка ДНК, добавляя нуклеотиды в таком умопомрачительном темпе, что Сэнгер не успевал делать промежуточные шаги. В 1977-м ученый внес остроумное изменение: он застопоривал реакцию с помощью добавки химически модифицированных нуклеотидов. Они мало отличались от А, Ц, Г и Т, так что полимераза их еще узнавала и встраивала, но продолжать копирование после них уже не могла. Сэнгер составлял карту гена, ориентируясь на точки застревания полимеразы – тут А, там Т, здесь Г, и так далее – все тысячи нуклеотидов ДНК[635].

24 февраля 1977 года в журнале Nature вышла статья[636] Сэнгера о том, как он с помощью своей технологии целиком определил последовательность одноцепочечной ДНК вируса ΦX₁₇₄. Это был крошечный бактериальный вирус длиной всего 5386 нуклеотидов – весь его геном размером уступал некоторым из самых коротких генов человека, – но та публикация знаменовала поистине переломный научный прорыв. «В последовательности выявляются характерные участки[637], отвечающие за производство белков девяти известных генов организма», – писал Сэнгер. Он научился читать язык генов.

Новые генетические методики – секвенирование и молекулярное клонирование – незамедлительно пролили свет на ранее неизвестные характеристики генов и генома. Первое и самое удивительное открытие касалось уникальной особенности генов животных и вирусов животных. В 1977 году ученые Ричард Робертс и Филлип Шарп[638] независимо друг от друга обнаружили, что животные белки чаще всего кодируются не длинными непрерывными последовательностями ДНК, а совокупностью отдельных модулей. У бактерий каждый ген – это единый, цельный участок ДНК, который начинается со старт-кодона (АТГ) и не прерывается до финального сигнала «стоп». Бактериальные гены не состоят из модулей, разделенных промежутками. А у животных и их вирусов, как показали Робертс и Шарп, гены обычно разбиты на отрезки, перемежающиеся длинными, ничего не значащими «прокладками».

В качестве аналогии рассмотрим слово «структура». У бактерии ген представлен в геноме именно в таком виде – структура, – без разрывов, промежутков, вставок и пауз. В геноме же человека это слово прерывается промежуточными последовательностями ДНК: ст… ру… к… т… ур… а.

Протяженные участки ДНК, обозначенные многоточиями (…), не несут никакой информации о белке. После транскрипции такого прерывистого гена – то есть после построения по ДНК РНК-послания – все «прокладки» из мРНК вырезаются, и целостность послания восстанавливается уже без ненужных, бессмысленных участков: ст… ру… к… т… ур… а превращается в просто структура. Позже Робертс и Шарп придумали для этого процесса название – сплайсинг генов, или сплайсинг РНК[639] (от английского слова, означающего «сращивать», потому что после удаления промежутков концы оставшихся фрагментов РНК сращиваются).

Поначалу прерывистая структура генов озадачила ученых: почему гено́м животных тратит столько ДНК на разделение кусочков гена, а потом все равно сшивает эти кусочки в цельное РНК-послание? Но вскоре внутренняя логика этого явления стала понятной: поделив ген на модули, клетка может, комбинируя их, собирать разные РНК-сообщения (а затем и белки) на базе единственного гена. Из слова ст… ру… к… т… ур… а можно сшить и рука, и кура, и что-нибудь еще, создав таким образом много разных сообщений – «изоформ» – по последовательности одного и того же гена. Из слова г… е… н… ом с помощью сплайсинга можно сотворить слова ген, гном и ом. У модульного генома есть и эволюционное преимущество: если соединить отдельные модули разных генов, можно получить совершенно новые гены (ст… е… н… а).

Уолтер Гилберт, генетик из Гарварда, придумал для генных модулей специальное слово – экзоны. Промежуточные, вырезаемые, участки назвали интронами. Для генов человека интроны не исключение, а правило. Человеческие интроны часто огромны: они могут простираться на сотни тысяч нуклеотидов. Сами гены тоже отделены друг от друга длинными участками межгенной ДНК. Считается, что в межгенной ДНК и внутригенных интронах содержатся те самые последовательности, которые определяют контекст для регуляции генов. Если вернуться к нашей аналогии, то межгенную ДНК можно изобразить как длинные многоточия, по которым то тут, то там разбросаны знаки препинания. Тогда геном человека можно представить так:

Это…… (…)…… ст… рукт…… ура………. вашего……… ге… но… ма;

Слова здесь изображают гены, длинные многоточия между словами – участки межгенной ДНК, а короткие многоточия внутри слов (ст… рукт… ура) – интроны. Знаки пунктуации – скобки и точка с запятой – это участки ДНК, отвечающие за регуляцию генов.

Сестринские технологии секвенирования и молекулярного клонирования спасли генетику от экспериментального застоя. В конце 1960-х генетики обнаружили, что находятся в тупике. Для каждой экспериментальной науки критически важна возможность намеренно вмешиваться в работу системы и замерять эффекты этого вмешательства. Но единственным инструментом изменения генов был мутагенез – по сути, процесс случайный, – а оценить эффект позволяли лишь изменения структуры и функций. Можно было окатить дрозофил рентгеновскими лучами, как делал Мёллер, и получить бескрылых или безглазых мушек, но не было способа намеренно манипулировать генами, кодирующими глаза и крылья, или хотя бы точно определять, как эти гены изменились. По выражению одного ученого, «ген был чем-то недосягаемым».

Недоступность гена особенно удручала проповедников «новой биологии» вроде Джеймса Уотсона. В 1955-м, через два года после открытия структуры ДНК, он перебрался на биологический факультет Гарварда, где моментально вывел из себя некоторых особо почитаемых профессоров. Биология, как виделось Уотсону, раскалывалась надвое. С одной стороны от трещины оставалась старая гвардия – натуралисты, систематики, анатомы и экологи, до сих пор занятые классификацией живых существ и преимущественно качественным описанием их анатомии и физиологии. «Новые» биологи, в отличие от традиционных, изучали молекулы и гены. Старая школа обсуждала разнообразие и изменчивость. Новая говорила об универсальном коде, общих механизмах и «центральной догме»[640].

«Каждому поколению нужна новая музыка», – сказал как-то Крик; старую музыку Уотсон откровенно презирал. Естествознанию – преимущественно описательной дисциплине, как охарактеризовал ее Уотсон, – придет на смену энергичная и мускулистая экспериментальная наука, которую он помогал создавать. Динозавров, изучающих динозавров, вскоре самих постигнет участь вымершего вида. Уотсон называл традиционных биологов «собирателями марок»[641], высмеивая их озабоченность коллекционированием и классификацией биологических экземпляров.