Молекулярная генетика

В 1935 г. в Париж к известному генетику Борису Эфрусси прибыл молодой исследователь из Калифорнийского технологического института. Это был Джордж Уэлс Бидл. В Париже он вместе со своим французским коллегой начал эксперименты в области, пограничной между генетикой и биохимией. Маленькая мушка дрозофила по-прежнему оставалась для генетиков предпочтительным объектом исследования. Ученые решили проследить, как наследуется у нее глазной пигмент. Эти эксперименты побудили Бидла продолжить изучение биохимических основ наследственности, и это сделало его одним из пионеров зародившейся в 40-х годах новой науки — молекулярной генетики.

В 1937 г. Бидл уехал в Станфордский университет, где встретился с Эдуардом Тейтемом. Там началось их плодотворное сотрудничество. Прежде всего они пришли к заключению, что дрозофила — слишком сложный объект для исследования, и в качестве такового избрали плесневый грибок — нейроспору. Тейтем, работавший над диссертацией по обмену веществ у бактерий, как специалист-микробиолог, знал, что этот плесневый грибок может расти в искусственной среде, состоящей из сахара, соли и витамина Н. В ходе опытов грибок облучали рентгеновскими лучами, получая различные мутантные формы. Наиболее характерной особенностью этих мутантов было то, что они уже не могли расти в такой бедной средз требовались добавки новых веществ. Это было истолковано как изменение ферментативных систем организма.

В свое время работы Г. Дж. Мёллера показали, что рентгеновское излучение вызывает изменения в генетическом материале. Теперь из опытов Бидда и Тейтема следовало, что мутации в генах непосредственно влияют на ферментативные системы организма. Это явилось первым доказательством того, что гены регулируют биохимические функции живых существ. Обобщая результаты своих исследований, Бидл и Тейтем в 1944 г. выдвинули широкоизвестную ныне концепцию «один ген — один фермент».

В 1958 г. Нобелевский комитет при Каролинском институте принял решение присудить Бидлу и Тейтему премию по физиологии и медицине за открытие влияния генов на обмен веществ. Вместе с ними Нобелевскую премию получил молодой исследователь Джошуа Ледерберг, который рано приобрел известность своими исследованиями по генетике бактерий. В 1946 г. он стал сотрудничать с Тейтемом в Йельском университете и за два года подготовил и защитил докторскую диссертацию.

Крупное открытие Ледерберга связано с исследованием механизмов конъюгации у бактерий: при совместном выращивании бактериальные клетки часто соприкасаются и обмениваются генетическим материалом. Ледерберг и Тейтем поставили опыты по совместному выращиванию мутантов бактерии кишечной палочки — одного из любимых объектов исследования для микробиологов. Опыты строились по тому же принципу, что и прежде: получали так называемые ауксотрофные мутанты, которые не способны уже расти в бедной питательными веществами среде, а испытывают потребность в специальных добавках. Ученые обнаружили, что при совместном выращивании таких бактерий появляются гибриды, объединяющие в себе признаки «родителей». Наблюдаемый результат объяснили конъюгацией клеток — своеобразным процессом полового размножения у бактерий.

При исследованиях под микроскопом Ледерберг заметил, что в точке соприкосновения двух клеток их стенки исчезают и образуется протоплазменный мостик, по которому ДНК переходит из одной бактерии в другую. Это наблюдение привело Ледерберга к интересной идее: а что, если попробовать встряхнуть чашку с бактериями? Ведь в таком случае связь между бактериями должна прекратиться преждевременно и обмен ограничится лишь частью генетического материала. Исследуя затем свойства полученных штаммов гибридов, можно точно определить, какие гены переходят из одной бактерии в другую за тот или иной промежуток времени. Этот оригинальный метод дал возможность Ледербергу составить генетические карты микроорганизмов.

В зависимости от строения клеток живые организмы делятся на две крупные группы. Те, что устроены просто, называются прокариотами: их клетки не имеют, оформленного ядра и ДИК у них находится в клетке в необособленном виде. К этой группе относятся бактерии. Более сложные организмы, эукариоты, имеют клеточное ядро, которое отделено мембраной от клеточной плазмы и содержит ДНК, связанную специфическими белками в хромосомы. Бактериальную ДНК иногда также называют хромосомой. Благодаря своему простому устройству генетический аппарат бактерий легче поддается исследованию, и это позволило французским ученым Франсуа Жакобу и Жаку Люсьену Моно изучить механизм регуляции генной активности.

В молодости ученый-медик Франсуа Жакоб мечтал стать хирургом. Но началась вторая мировая война, и ему пришлось поехать военным врачом в Африку. В 1944 г. при высадке десанта в Нормандии он был тяжело ранен, и это окончательно расстроило все его планы. Тогда Жакоб решил заняться наукой. В 1950 г. он попадает в Институт Пастера к известному микробиологу и вирусологу Андре Мишелю Львову. Там уже работал Моно, ученик Львова и Эфрусси.

Одним из важнейших вопросов, над которыми трудились в то время биологи, касался лизогении у некоторых бактерий. Это странное явление заключалось в том, что на плотных колониях бактерий неожиданно появлялись светлые пятна, вызванные разложением клеток. Андре Львов с сотрудниками установил, что ультрафиолетовое излучение может вызывать процесс распада бактерий, имеющих в своей наследственности фактор лизогенности. Это открытие позволило французскому ученому впервые правильно объяснить явление лизогении. А.М. Львов доказал, что в клетках лизогенных бактерий существует некая неинфекционная форма вируса (профаг), которая не размножается там, а прикрепляется к бактериальной ДНК. Становясь частью генетического аппарата, он влияет на механизм генной регуляции, вследствие чего теряет свою активность. Под внешним воздействием (например, ультрафиолетового излучения) профаг может оторваться от бактериальной хромосомы и превратиться в активный вирус, который и вызывает гибель клетки. Теория Львова представляла большой интерес, ибо впервые ставился вопрос о регуляции генной активности. За эту работу А.М. Львов был удостоен в 1965 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Еще в 40-е годы высказывались предположения, что, возможно, функции генов регулируют гистоны (белки, связанные с ДНК). В 1958 г. Жакоб и Моно, изучая образование в бактериальной клетке фермента бета-галактозидазы, обнаружили аналогию между этими процессами и процессами ингибирования у лизогенных бактерий. Постепенно накапливая факты, они в 1961 г. выдвинули свою теорию регуляции генной активности.

Согласно этой теории, в ДНК кроме структурных генов, несущих информацию о процессах биосинтеза, есть гены-регуляторы и гены-операторы. Ген-регулятор кодирует синтезирование специфического вещества — репрессора. Оно присоединяется к гену-регулятору, который непосредственно регулирует деятельность структурных генов. В результате прекращается работа генов, а следовательно, и синтез белка. Если, однако, в клетку попадает некое вещество, индуктор, для построения которого нужен фермент, то репрессор соединяется с ним, освобождая ген-оператор. Начинается синтезирование информационной РНК, служащей матрицей для производства нужного белка. После того как вещество-индуктор полностью израсходуется, репрессор, непрерывно производимый геном-регулятором, вновь связывается с геном-оператором — и процесс прекращается. Это хороший пример использования принципов обратной связи на молекулярном уровне.

На основе своей теории Жакоб и Моно смогли более детально объяснить лизогению. Ранее уже было известно, что гены бактериофага читаются в различной последовательности. Эти ученые показали, что при блокировании первых генов полностью прекращается синтез вирусных частиц и вирусная ДНК прикрепляется к бактериальной хромосоме. При этом остальные гены вируса могут и не быть блокированными, а функционировать в бактериальной клетке, придавая ей новые свойства. Это обстоятельство используется сегодня генной инженерией.

Идеи Жакоба и Моно оказали в 60-е годы большое влияние на развитие молекулярной биологии. В 1965 г. они вместе с А.М. Львовым получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытия, связанные с генетической регуляцией синтеза белка у бактерий.

В возникновении молекулярной генетики как науки большую роль сыграли исследования простейших живых организмов — вирусов. Особо важным моментом в развитии этой науки было изучение бактериофагов — вирусов бактерий. Исключительные заслуги в этой области имеют: Макс Дельбрюк, Алфред Дей Херши и Сальвадор Эдуард Лурия — физик, биохимик и врач, которые превратили учение о бактериофагах в науку.

Еще в 1939 г. Дельбрюк вместе с Эмори Леоном Эллисом изучили процесс размножения фагов. Было обнаружено, что он состоит из трех периодов: прикрепление фага к бактериям, скрытый период, в течение которого фаг размножается в клетке, и, наконец, период распада, ведущий к уничтожению бактерии и выделению в большом количестве новых фагов. Этот процесс наглядно показывал, как внешнее генетическое влияние может коренным образом изменить функции живой клетки. Еще в середине 30-х годов было известно, что вирусы являются нуклеопротеидами, подобными хромосомам высших организмов. Поэтому они представляли большой интерес в качестве модели для изучения функций гена. Именно это и побудило Дельбрюка заняться в 1939 г. бактериофагами.

Полный цикл размножения бактериофагов продолжается около 15 мин, причем один вирус дает сотни потомков. Очевидно, это значительно ускоряет исследования, и простое устройство фагов, раскрытое Лурией, позволяло испытать новые методы исследования. В 1946 г. Дельбрюк, Херши и другие ученые открыли явление рекомбинации генов у вирусов, что позволило построить генные карты. В 1952 г. Херши методом меченых атомов доказал, что только ДНК имеет значение для репликации вирусов. Хотя о роли ДНК стало известно еще из экспериментов Эйвери, лишь после работы Херши резко изменились взгляды на природу генов. Лурия открыл комплекс ферментов и особые состояния клетки, когда она может противостоять бактериофагу. Это имело большое значение для развития генной инженерии.

В конце 50-х и в 60-е годы многие ученые стали лауреатами Нобелевской премии за достижения в области генетики. Однако основополагающие работы трех патриархов современной молекулярной генетики (М. Дельбрюка, А. Херши и С. Лурии) получили признания Нобелевского комитета с большим опозданием: они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине лишь в 1969 г.

Исследования бактериофагов показали, что они способны присоединяться к генетическому аппарату бактерии, становясь частью ее гена. В результате клетка не погибает, а продолжает размножаться и даже приобретает новые свойства. Вскоре подобные особенности были замечены и у других вирусов, в частности у так называемых онкогенных вирусов.

Еще в 1911 г. Фрэнсис Роус (Раус) совершенно точно установил, что один из видов саркомы у птиц (саркома Рауса) вызывается вирусом. В 1965 г. Ренато Дульбекко, итальянский ученый, работавший в США, заметил, что вирус полиомиелита может присоединяться к клеточной ДНК, становясь ее составной частью. Обычно этот вирус вызывает инфекцию, но в культурах тканей приводит к неопластической трансформации. Это явилось убедительным аргументом в пользу вирусной теории раковых заболеваний. Однако выяснилось, что у большинства «подозрительных» онкогенных вирусов основным генетическим материалом является РНК. К числу таких вирусов относился вирус саркомы Рауса. Оставалось неясным, как вирусы, содержащие РНК, могут присоединяться к клеточной ДНК высших организмов.

Пытаясь разрешить этот вопрос, Хоуард Мартин Темин из Висконсинского университета предположил в 1970 г., что возможен процесс обратной транскрипции[27]. Одной из важнейших основ молекулярной генетики (ее «центральной догмой») было представление, что наследственная информация движется только по линии ДНК — РНК — белок. Темин предположил, что вирусная РНК транскрибируется в ДНК, которая присоединяется к клеточному геному.

Вначале эта точка зрения была встречена в штыки. Но в 1970 г. Темин одновременно с Дейвидом Балтимором из Массачусетского технологического института открыл фермент РНК-зависимую ДНК-полимеразу, или обратную транскриптазу. Именно этот фермент осуществляет синтез ДНК на матрице вирусной РНК.

Открытие обратной транскрипции и присоединения вирусов к клеточному геному вселило в ученых надежды на новые успехи медицины. Вместе с тем указанные открытия имели и большое чисто теоретическое значение, позволив глубже проникнуть в молекулярные механизмы генетики. За свои достижения Д. Балтимор, X. Темин и Р. Дульбекко были удостоены в 1975 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине.