В 1902 г., вскоре после того, как были открыты забытые работы Менделя, американский биолог Вальтер Стэнбероу Саттон (1877–1916) показал, что хромосомы ведут себя точно так же, как факторы Менделя, и, по существу, ими и являются. Наследственностью управляют хромосомы.
Конечно, если каждую хромосому рассматривать как несущую в себе только один какой-либо признак, то для объяснения всех унаследованных признаков хромосом просто не хватит.
Поэтому каждую хромосому следует рассматривать в виде цепочки, состоящей из множества молекул, каждая из которых управляет какой-то одной характеристикой. В 1909 г. датский биолог Вильгельм Людвиг Иохансен (1857–1927) предложил эти молекулы называть генами (от греч. genos — дающий рождение). Наука, изучающая гены, стала называться генетикой.
ГЛАВА 10
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ И МУТАЦИИ
СТРОЕНИЕ ГЕНОВ
Что такое гены? К какому роду молекул они относятся? Первая попытка ответить на этот вопрос была сделана в 1869 г., когда вряд ли кто-либо (возможно, кроме Менделя) знал о существовании генов. Швейцарский биохимик Иоганн Фридрих Мишер (1844–1895) обнаружил в клетках некое вещество, содержащее атомы азота и фосфора. Это вещество, позднее названное нуклеиновой кислотой, по-видимому, помещалось в ядре клетки.
В действительности оказалось, что существует две разновидности нуклеиновой кислоты. Одна из них — рибонуклеиновая кислота (РНК), другая — диоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). ДНК в основном заключалась в ядрах и фактически присутствовала в хромосомах. РНК обнаруживали обычно в части клетки, находящейся вне ее ядра.
Сначала на нуклеиновую кислоту не обратили серьезного внимания. Считалось, что это — очень простое соединение, настолько простое и незначительное, что может иметь лишь самые примитивные функции. Главенствующими для живых тканей молекулами, по убеждению ученых, были белки, существующие в бесчисленных вариантах, некоторые из них — гигантские молекулы, состоящие из тысяч атомов.
Белки (или протеины) строятся из аминокислот, и существует двадцать разновидностей аминокислот, которые могут сочетаться друг с другом самым прихотливым образом. Представьте себе сотни аминокислот, перемешанных друг с другом, и каждая из них имеет от одной до тридцати разновидностей! Каждый новый порядок, в котором выстроятся аминокислоты, будет отдельной белковой молекулой со своими особыми свойствами. Математическое число различных комбинаций, в которые могут соединяться аминокислоты, столь огромно, что число возможно существующих различных белковых молекул будет больше, чем атомов во Вселенной, даже если всю Вселенную набить ими до отказа. Если жизнь бесконечно изменчива и сложна, то этим мы обязаны, как оказалось, бесконечному разнообразию белковых молекул.
В противоположность белковым — молекула нуклеиновой кислоты строится из элементов, называемых нуклеотидами. В каждой молекуле нуклеиновой кислоты лишь четыре разновидности, и долгое время считали, что молекула нуклеиновой кислоты состоит всего из четырех нуклеотидов, по одному из каждой разновидности.
Вплотную, начиная с 1879 г., нуклеиновыми кислотами начал заниматься немецкий биохимик Альбрехт Коссел (1853–1927). Он сделал много открытий в области химического строения нуклеотидов, в частности обнаружил, что клетки спермы особенно богаты нуклеиновой кислотой (точнее, ДНК, как теперь известно), а присутствующий в них белок значительно проще большинства протеинов.
Поскольку клетки спермы несут в себе все характеристики, наследуемые от отца, т. е. не что иное, как туго стянутые узлы хромосом, их состав должен иметь особое значение. С другой стороны, поскольку они перегружены ДНК и довольно бедны белками, естественно предположить (оглядываясь теперь назад), что именно ДНК, а не протеин играет ключевую роль в наследственности. Однако укоренившаяся вера в значительность белков не позволила Косселу (да и любому ученому того времени) сделать такое заключение.
В 1937 г. английский ботаник Фредерик Боуден (р. 1908) обнаружил, что вирус, этот образчик мельчайшей формы жизни, наряду с белком содержит и нуклеиновую кислоту. Вирусы — это живые организмы, состоящие из единственной молекулы нуклеиновой кислоты, завернутой в белковую оболочку.
Все вирусные молекулы, по-видимому, содержат нуклеиновую кислоту: одни — ДНК, другие — РНК. (Есть еще очень маленькие вирусы, похожие на молекулы, называемые прионами, природа которых еще не известна.)
Молекулы вируса малы и просты (они гораздо меньше, чем клетки, почти как отдельные независимые хромосомы). Попавший внутрь клетки вирус способен размножаться. Присутствие в нем нуклеиновой кислоты должно бы насторожить. Но биологи, уверенные, что главное слово за белками, считали, что именно белковая часть вируса является главным рабочим элементом, а нуклеиновые кислоты несут лишь дополнительную функцию.
Поворотной точкой стал 1944 г. В тот год канадско-американский врач Освальд Эвери (1877–1955) исследовал две разновидности бактерий, вызывавших пневмонию. У одной вокруг клетки был гладкий покров, и она получила поэтому название S (от англ. smooth — гладкий. — Примеч. пер.). Другая, имевшая шершавую поверхность, получила название R (от англ. rough — грубый, шероховатый. — Примеч. пер.).
По-видимому, бактерии R не хватило одного гена, который позволил бы ей облачиться в гладкий покров. Если бактерию S убить и растереть, то из фрагментов мертвой клетки можно получить некий экстракт, который, будучи перенесенным в бактерию R, побудил бы ее клетки к образованию собственной гладкой оболочки. Иначе говоря, экстракт, взятый от бактерии S, должен был восполнить ген, отсутствующий в бактерии R.
Эвери с двумя сотрудниками тщательно произвели очистку экстракта и удалили все лишнее, кроме того, что вызывает у клетки способность образовать новую оболочку. По окончании работы они обнаружили, что экстракт совсем не имел белка, но зато содержал нуклеиновую кислоту. Значит, геном была нуклеиновая кислота, а не белок.
К этому времени уже стало ясно, что нуклеиновые кислоты, как и белки, это гигантские цепные молекулы, построенные из сотен или даже тысяч нуклеотидов, размещенных вдоль цепи самым прихотливым образом. Химики заблуждались относительно простоты этих молекул, поскольку их извлекали из клеток слишком неосторожно и они разрушались. Более осторожная процедура дала нетронутую, сохранную молекулу, и она оказалась гигантской.
После этого ученые наконец-то стали уважительно относиться к нуклеиновым кислотам, и в особенности к молекуле ДНК.
В 1953 г. двое ученых, англичанин Фрэнсис Крик (р. 1916) и американец Джеймс Уотсон (р. 1928), описали структуру ДНК. Они показали, что эти молекулы состоят из двух цепочек нуклеотидов, расположенных в виде двойного винта (т. е. каждая цепочка имеет вид спиральной лестницы; это две уходящие вверх спирали, параллельные друг другу).
Обе эти сплетенные цепочки удерживаются химическими связями между их атомами, и каждая является как бы обратным отражением другой. Там, где одна выступает наружу, другая прогибается вовнутрь, и наоборот, так что они плотно прилажены друг к другу.
В этом заключается ответ на вопрос, как молекула ДНК копирует, повторяет саму себя (репликация), когда хромосомы в процессе деления клетки собираются образовать новую комбинацию. Обе нуклеотидные цепочки расходятся в стороны наподобие открывающейся «молнии», и каждая служит своего рода основой (формой), вокруг которой образуется новая цепочка. Новая цепочка выступает там, где эта основа прогибается вовнутрь, и наоборот. Если обозначить эти цепочки буквами А и В, то А служит в качестве основы, на которой образуется новая В, а В служит основой, на которой разовьется новая А. Новые цепочки образуются по мере того, как раскрывается старая, так что, когда старая цепочка полностью разошлась, в результате являются две новые, и каждая из них так же аккуратно и плотно застегнута на «молнию», как и старая цепочка.
Начиная с 1953 г. ученые стремились понять, как молекула ДНК управляет клеткой. Хотя молекула состоит только из четырех различных нуклеотидов, они не единственные, являющиеся ключом к такому управлению. Молекула ДНК работает посредством последовательных групп из трех нуклеотидов (тринуклеотиды). Каждый тринуклеотид может иметь любую из четырех разновидностей нуклеотидов в первой позиции, любую из них во второй и любую из них в третьей. Таким образом, число различных тринуклеотидов равно 4X4X4, т. е. 64.
Каждый тринуклеотид соответствует отдельной аминокислоте. (Существует больше различных тринуклеотидов, чем аминокислот, поэтому одной и той же аминокислоте могут соответствовать два-три тринуклеотида.) Особый отрезок длинной цепочки ДНК в хромосоме (отрезок, являющийся собственно геном) может регулировать продукцию аминокислотной цепочки, соответствующей цепочке тринуклеотидов, строящей свою собственную структуру.
