Синдром Паганини и другие правдивые истории о гениальности, записанные в нашем генетическом коде - Кин Сэм
Город Хиросима расположен на множестве островов, и, чтобы попасть на вокзал, Цутому пришлось переправиться через реку. Все мосты обрушились или сгорели, поэтому Ямагучи, сжав волю в кулак, попытался перебраться на другой берег по жуткому месиву мертвых тел, устилавших всю реку. Он буквально полз, отпихивая с пути обгоревшие части тел. Но неожиданно в слое трупов обнаружилась огромная полынья, вынудившая его повернуть назад. Выше по течению реки Ямагучи добрался до железнодорожной эстакады, в которой устоял один из пролетов около сорока метров в длину. Он залез на эту конструкцию, а дальше по металлическому тросу добрался до берега и спустился на землю. Пробравшись через толпу, бедняга очутился на вокзале, а вскоре – и в вагоне поезда. К счастью, поезд тронулся достаточно скоро, Ямагучи был спасен. Поезд летел по рельсам всю ночь, пока, наконец, не прибыл в родной город Цутому – Нагасаки.
Физик, оказавшийся в Хиросиме, мог бы констатировать, что гамма-лучи искорежили ДНК Ямагучи за триллионные доли секунды. С точки зрения химика, самые драматичные события закончились бы за миллисекунду, – к этому моменту свободные радикалы уже успели бы изрешетить ДНК. Цитолог мог бы наблюдать за организмом уцелевшего несколько часов, отслеживая, как клетки пытаются залатать изорванную двойную спираль. Врач диагностировал бы у пострадавшего лучевую болезнь – головные боли, рвоту, внутренние кровотечения, отслоение кожи, малокровие – все эти симптомы проявляются в течение недели. Наибольшее терпение пришлось бы проявить генетику. Генетический ущерб, нанесенный жертвам атомных бомбардировок, проявляется спустя годы и даже десятилетия. По мрачному стечению обстоятельств, именно за эти десятилетия ученые смогли составить полную картину работы генетических механизмов, а также возникающих при этом сбоев. Можно сказать, что они наблюдали растянутый во времени непрерывный репортаж о разрушении ДНК.
Сегодня, изучая в ретроспективе эксперименты над ДНК и белками, проводившиеся в 1940-е годы, мы находим их очень убедительными. Однако в те годы лишь некоторые ученые смогли распознать, что именно ДНК является носителем генетической информации. Более веские доказательства на этот счет были получены в 1952 году вирусологами Альфредом Херши и Мартой Чейз. Они знали, что вирус инфицирует клетку, подменяя ее генетический материал своим. А поскольку вирусы, которые они изучали, состояли только из ДНК и белков, гены должны были находиться либо в ДНК, либо в белках. Альфред и Марта решили пометить вирусы радиоактивными изотопами серы и фосфора, а затем выпустить их в клеточную культуру. Соответственно, если бы генетическая информация передавалась через белок, то в инфицированных клетках обнаружилась бы радиоактивная сера. Но когда Херши и Чейз отделили зараженные клетки, они нашли там только радиоактивный фосфор. Это означало, что вирус внедряет в клетку именно свою ДНК.
Результаты своего исследования ученые опубликовали в 1952 году, окончив статью предостережением: «Описанные эксперименты не предполагают каких-либо иных выводов химического характера». Точно. Все ученые, которые к тому моменту еще занимались проблемой белковой наследственности, забросили свои прежние исследования и сосредоточились на изучении ДНК. Развернулась настоящая гонка – кому же первому удастся понять структуру ДНК? В апреле 1953 года, спустя всего год после выхода статьи Херши и Чейз, весь мир узнал о двух нескладных парнях, научных сотрудниках Кембриджского университета – Фрэнсисе Крике и Джеймсе Уотсоне (кстати, Уотсон ранее учился у Германа Мёллера). Крик и Уотсон впервые предложили термин «двойная спираль», который впоследствии стал легендарным.
Двойная спираль, описанная Уотсоном и Криком, состоит из двух длинных нитей, сплетающихся в единую правовращающую косичку. Поднимите правую руку и направьте большой палец в потолок. Теперь остальные пальцы у вас на правой руке согнуты в направлении против часовой стрелки; можно сказать, что спираль ДНК завивается вокруг них снизу вверх. Каждая нить состоит из двух главных цепей, которые удерживаются вместе парными нуклеотидными основаниями, входящими друг в друга плотно, как кусочки пазла. Угловатый аденин (А) сочетается с тимином (Т), изогнутый цитозин (Ц) – с гуанином (Г). Гениальная догадка Уотсона и Крика заключалась в том, что в силу такой взаимной дополнительности (комплементарности) парных оснований А – Т, Ц – Г одна нить ДНК может служить шаблоном для копирования другой. То есть, если одна сторона двойной спирали содержит нуклеотиды Ц – Ц – Г – А – Г – Т, то вторая должна иметь вид – Г – Г – Ц – Т – Ц – А. Система настолько проста, что всего за одну секунду можно скопировать сотни оснований ДНК.
Все это замечательно, но в то же время двойная спираль не выдала никакой информации о том, как именно гены ДНК формируют белки, – а ведь именно это важнее всего. Чтобы понять этот процесс, ученым пришлось тщательно исследовать «химического родственника» ДНК – молекулу РНК. Эта молекула похожа на ДНК, но в ней закручена лишь одна нить, и вместо тимина (T) находится урацил (У). Биохимики обратились к РНК, поскольку концентрация этой кислоты резко возрастает, когда клетки начинают вырабатывать белки. Но когда они принялись за поиски РНК внутри клеток, оказалось, что эта кислота неуловима, подобно исчезающему виду птиц; удавалось обнаружить лишь крохи, которые тут же пропадали. Понадобились годы усердных экспериментов, чтобы точно установить, что происходит, – как именно клетки преобразуют последовательность оснований ДНК в инструкции для РНК, при помощи которых затем создаются белки.
Сначала клетки осуществляют «транскрипцию» ДНК в РНК. Этот процесс похож на копирование самой ДНК тем, что одна из ее нитей служит шаблоном. Так, последовательность Ц – Ц – Г— А – Г – Т оснований ДНК превратилась бы в молекуле РНК в последовательность Г – Г – Ц – У – Ц – А (основание У встает вместо Т). После сборки такая цепочка РНК выходит за пределы ядра и направляется к особым образованиям, которые занимаются производством белков, – рибосомам. Поскольку молекула РНК передает сообщение от одной стороны к другой, ее называют информационной или матричной РНК (мРНК).
Построение белка (трансляция) начинается в рибосомах. По прибытии мРНК рибосома захватывает ее недалеко от окончания и выявляет всего лишь три звена цепочки (трипле т). В нашем примере был бы обнаружен триплет ГГЦ. После этого к работе приступает второй тип РНК – транспортная РНК (тРНК). Каждая молекула тРНК содержит две основные части: аминокислоту, прикрепленную к ней (груз, который предстоит передать), и триплет РНК, который выступает, подобно мачте корабля. Различные молекулы тРНК могут попытаться прикрепиться к выявленному триплету РНК, но это пройдет успешно лишь тогда, когда основания окажутся комплементарными. Таким образом, к триплету ГГЦ может присоединиться лишь тРНК с фрагментом ЦЦГ. И только после успешного соединения рибосома принимает груз – аминокислоту.
В этот момент молекула тРНК уходит, молекула мРНК сдвигается на три позиции и все начинается заново. Выявляется другой триплет, к которому стыкуется молекула тРНК с другой аминокислотой. Так занимает свое место вторая аминокислота. В конце концов, после множества шагов создается цепочка аминокислот – белок. А поскольку каждому триплету РНК соответствует одна и только одна аминокислота, информация должна в точности быть передана от ДНК к РНК, а затем белку. Этот процесс происходит в каждом живом существе. Введите одну и ту же молекулу ДНК в морскую свинку, лягушку, тюльпан, слизевик, дрожжи, американского конгрессмена – и вы получите одинаковые цепочки аминокислот. Поэтому не удивительно, что в 1958 году Фрэнсис Крик возвел процесс «ДНК → РНК → белок» в ранг центральной догмы молекулярной биологии [12].
И тем не менее догма Крика не объясняет всех нюансов в создании белка. С одной стороны, можно заметить, что из четырех оснований ДНК можно составить 64 различных триплета (4 × 4 × 4 = 64). В то же время эти триплеты кодируют всего лишь двадцать аминокислот, которые содержат наши тела. Почему?
