Жакоб и Моно обдумывают генетический код
Итак, по мнению Крика и его коллег, ДНК можно считать химическим носителем наследственности, иначе говоря, ДНК — это определяющая составная часть генов. Бидл и Тейтем уже давно сформулировали положение «один ген — один фермент», согласно которому гены определяют синтез и состав ферментов. Если ДНК действительно является генетической молекулой, она должна определять и строение того или иного фермента. Эту определяющую роль ДНК по Уотсону и Крику можно объяснить порядком распределения нуклеотидов в ее молекуле, то есть последовательностью, в которой чередуются в цепях ДНК четыре возможных нуклеотида. Но поскольку ферменты в химическом отношении являются молекулами белков, а структурными элементами последних — аминокислоты, то порядок расположения аминокислот в молекуле белка (а значит, и ферментов) будет определяться расположением нуклеотидов в молекуле ДНК, точнее — расположением нуклеотидов в цепях молекулы ДНК.
Допустим, что так оно в действительности и есть. Тогда возникает вопрос: как же все это происходит? Каким образом тройки нуклеотидов в ДНК определяют синтез белков, в том числе и ферментов?
1961 год войдет в историю не только как год начала космической эры. Он был отмечен также событием, которое приблизило нас к решению важнейшего биологического вопроса — о механизме синтеза белка. В 1961 году сотрудники Пастеровского института Ф. Жакоб и Ж. Моно опубликовали статью, в которой они попытались объяснить интересующее нас явление. Эти ученые, получившие спустя четыре года Нобелевскую премию по медицине и физиологии, предложили гипотезу, согласно которой ДНК управляет синтезом белков не непосредственно. Роль посредника выполняет особая молекула РНК, структура которой представляет собой как бы отпечаток структуры ДНК. Эта особая молекула РНК образуется при раскручивании двойной спирали молекулы ДНК так, что на развернутой цепи ДНК возникает цепь РНК с таким расположением нуклеотидов, которое соответствует расположению последних в цепи ДНК. Обозначим нуклеотиды заглавными буквами названий их органических оснований. На раскрученной спирали ДНК с нижеприведенным порядком нуклеотидов должна возникнуть цепь РНК с соответствующим «парным» и дополняющим расположением нуклеотидов, а именно цепи ДНК
(А — Г — Т) — (Т — Ц — А) — (Т — Т — Т) — (Г — А — А)
отвечает цепь РНК
(У — Ц — А) — (А — Г — У) — (А — А — А) — (Ц — У — У)
После своего образования цепь РНК отделяется от цепи ДНК и перемещается в то место клетки, где происходит синтез ферментов. РНК в приведенной нами схеме содержит четыре тройки нуклеотидов и, если исходить из гипотезы Жакоба и Моно, определяет порядок четырех аминокислот в будущей молекуле белка. Макромолекула белка требует значительно более ёмкой информации, заключенной в молекуле РНК, которая должна содержать столько троек нуклеотидов, сколько молекул аминокислот должно присоединиться к макромолекуле белка.
Поскольку генетическая информация химически «переписывается» с ДНК на молекулу РНК, которая понесет далее «послание», или информацию о синтезе молекулы белка, мы назовем эту РНК, переносчика информации, информационной РНК, или иРНК[22].
Естественно, что подобное представление, будучи лишь гипотетическим, требовало экспериментального подтверждения. Проверка его началась в США в том же 1961 году. Американский биохимик М. Ниренберг из Линговского национального института сердца поставил смелый эксперимент. Специальными методами он разрушил клетки бактерий Escherichia coli и получил бесклеточную массу, способную синтезировать белки. Затем заменил предполагаемую Жакобом и Моно иРНК искусственной, которая на языке химиков называлась полиуридиловой кислотой (сокращенно поли-У) и содержала вместо четырех типов нуклеотидов, обычных для природной иРНК (А, У, Ц, Г), только один — уридиловую кислоту (У). Поли-У образует цепь РНК в таком виде:… У — У — У — У — У — У —… Внесение поли-У в бесклеточную массу не дало каких-либо существенных результатов: из 20 различных аминокислот в состав белков включились молекулы одной-единственной аминокислоты — фенилаланина. Из этой единственной аминокислоты образовались только макромолекулы белков, или поли-фенилаланинов. В соответствии с «нуклеотидными тройками» (триплетами) и поли-У образует цепь триплетов У — У — У, являющихся «кодоном» для включения молекул фенилаланина в белки.
Вскоре после проведения этих исследований из лаборатории Ниренберга поступили новые сообщения: для образования фенилаланина необходима еще одна клеточная РНК, которая должна будет переносить иРНК. Для каждой аминокислоты клетка должна иметь особый тип такой транспортной РНК (тРНК).
Еще в 1957 году Р. Холли из Корнельского университета, опубликовал сообщение о существовании тРНК. К 1961 году уже стало известно, что в клетках существуют различные типы тРНК, которые в присутствии соответствующих ферментов соединяются с определенными аминокислотами. Предполагали, что в виде такого промежуточного соединения с тРНК аминокислоты перемещаются к месту синтеза белков. В 1965 году Холли опубликовал результаты своих многолетних исследований: установил расположение нуклеотидов в молекуле тРНК, специализировавшейся на переносе аланина.
Но где же в клетке происходит синтез белков? Мы познакомились с тремя элементами, необходимыми для «производства» белковых молекул: аминокислоты, иРНК, тРНК. Сам же процесс сборки макромолекул белка протекает в особых цитоплазматических образованиях, называемых рибосомами.
В упрощенном виде синтез белковой молекулы можно представить следующим образом. К длинной цепи иРНК подходят рибосомы (видимые лишь в электронный микроскоп). К этому комплексу присоединяются частицы тРНК, связанные с молекулами аминокислот. Триплетам нуклеотидов в цепочке иРНК (так называемым кодонам) соответствуют дополняющие триплеты нуклеотидов на каждой молекуле тРНК (антикодоны). Расположение кодонов в цепочке иРНК определяет, в каком именно порядке присоединятся к ним антикодоны РНК. Это означает, что аминокислоты, отвечающие специфическим тРНК, перемещаются к рибосомам в определенном порядке. В точно таком же порядке будут присоединяться к зарождающейся макромолекуле и белки. Весь этот сложный процесс поможет нам понять приведенная ниже схема. Но прежде мы должны представить читателю одного ученого, деятельность которого будет иметь в нашем рассказе немаловажное значение.
Речь идет о X. Коране, индийском исследователе, проживающем в США. Вместе со своими сотрудниками из Висконсинского университета Корана попытался решить две задачи: во-первых, синтезировать по образцу иРНК искусственные полимеры, которые содержали бы соответствующие кодоны для отдельных аминокислот; во-вторых, синтезировать искусственные полимеры по образцу ДНК с таким расположением нуклеотидов, которое отвечало бы соответствующим кодонам в иРНК, и проверить их активность.
Первая задача была нелегкой. Группе Кораны предстояло получить все 64 возможных типа кодонов, необходимых для проверки «кодирования» порядка 20 аминокислот белков. Однако им удалось все же найти решение. Данные о кодонах они получили иным путем, отличным от того, каким шла группа Ниренберга, и дополнили их недостающими данными для остальных аминокислот.
Вторая задача оказалась еще труднее. Если в первой исследователи стремились получить синтетические полирибонуклеотиды, то во второй им необходимо было попытаться синтезировать полидезоксирибонуклеотиды. Эти «искусственные молекулы ДНК» они должны были использовать затем в управляемом синтезе «искусственных молекул РНК» с соответствующими кодонами. Ценную помощь им оказал в этом деле фермент, открытый в лаборатории профессора Очоа. Старания Кораны и его коллег увенчались успехом.
Ниренберг — Холли — Корана, этот биохимико-генетический «триплет» ученых, экспериментально подтвердили правильность представлений Уотсона и Крика о триплетах нуклеотидов в ДНК. Они подтвердили и гипотезу Жакоба и Моно об управляемом синтезе информационных РНК, выяснили роль транспортных РНК и их антикодонов при определении положения аминокислот в возникающих на рибосомах белковых молекулах. И не удивительно, что в декабре 1968 года все трое — Ниренберг, Холли и Корана — за эту свою работу получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Как уже было сказано, Корана успешно решил и вторую из поставленных задач. В июне 1970 года на встрече биохимиков и молекулярных биологов в его родном университете на вопрос, чем ученый занят сейчас, после получения Нобелевской премии, Корана ответил, что ему наконец удалось получить ген в пробирке! Его лаборатория занималась синтезом гена целых пять лет.
