От гороха к ДНК

Фантастические результаты, к которым привели открытия Берга и его коллег, увенчали более чем столетний путь исследований генетических механизмов, определяющих способность живых организмов наследовать жизненно важные химические процессы,

контролирующие их строение и функции. Современная генетика как наука родилась в середине прошлого столетия в саду монастыря св. Фомы в Брюнне (Австрия) (ныне словацкий город Брно). Именно там Грегор Мендель, ставший монахом-августинцем, чтобы избавиться от жестокой нищеты своей юности, занимался выращиванием тысяч растений гороха.

Мендель всегда проявлял живой интерес к науке и с 1851 по 1853 г. с разрешения монастырских властей посещал занятия в Венском университете, где изучал физику, математику и физиологию растений. Вдохновленный сведениями, которые он получил от великих селекционеров-растениеводов, в частности от Карла Фридриха Гартнера, Мендель вернулся в монастырь и приступил к тщательному изучению природы наследуемых признаков живых организмов. Выращивая различные сорта гороха (которые он называл своими "детками"), он опылял (скрещивал) их вручную, учитывая высоту и цвет, затем сводил данные в таблицу и обрабатывал результаты, пользуясь своими свежими познаниями в математике, для анализа закономерностей наследования специфических, хорошо заметных признаков.

В 1865 г. Мендель выступил перед Обществом естествоиспытателей Брюнна с двумя лекциями, в которых подвел итог своих восьмилетних трудов. Но хотя в аудитории присутствовали местные ученые знаменитости, никто из них не понял математических объяснений, которыми Мендель иллюстрировал принципы распределения по высоте, цвету и другим характерным признакам растения у полученных им гибридов. Не поняли они и его оригинального учения о наследственности. После окончания лекций не было ни вопросов, ни обсуждения результатов. Но справедливость требует отметить, что не только местные светила не сумели постичь громадное значение его открытия. Мендель опубликовал результаты своих опытов в "Известиях Брюннского общества естествоиспытателей" за 1866 г., и в течение трех с половиной десятилетий к ним было проявлено полное пренебрежение со стороны других исследователей, которые бились над разгадкой тайны наследственности, уже успешно разрешенной Менделем. А Мендель с помощью своих гороховых гибридов открыл, что такие характерные признаки организмов, как окраска цветов гороха или цвет глаз человека, проявляются благодаря действию определенных элементарных структур внутри клеток. Эти структуры впоследствии получили название генов (от греческого слова, означающего "воспроизведение").

Мендель утверждал, что живые организмы наследуют гены от своих родителей, и в зависимости от того, какие гены получены, некие "формирующие элементы" внутри клеток потомства обусловливают внешнее проявление этих генов в виде характерных признаков, например цвета горошин или цвета волос. Унаследованные от родителей гены, доказывал Мендель, несут всю информацию, необходимую для развития характерных признаков этих живых организмов.

После смерти Менделя в 1884 г. осталось всего несколько писем и одна публикация в журнале заштатного провинциального общества любителей природы.

И только в 1900 г. три исследователя - Карл Корренс из Тюбингенского университета (Германия), Эрих фон Чермак-Сейсенэгг из Колледжа агрономии и лесоводства в Вене и Гуго де Фриз из Амстердамского университета - одновременно и независимо друг от друга открыли тот самый закон наследования, который Мендель описал 35 годами ранее. Все трое пришли к выводу, как выразился Корренс, "что аббат Грегор Мендель... уже в 60-х годах не только получил те же результаты, но и дал им точно такое же объяснение". Наконец-то Менделю воздали по заслугам за его открытия и родилась новая наука - генетика.

После вторичного открытия трудов Менделя события стали развиваться быстрее. Ученые уже знали, что гены находятся в клеточном ядре, в структурах, называемых хромосомами ("окрашенные тельца"), ибо хромосомы распределялись в потомстве точно таким же образом, как, согласно математическим выкладкам Менделя, распределялись гены. Однако самому Менделю еще ничего не было известно о хромосомах - их описали только в конце 80-х годов, незадолго до его смерти. Хромосомная теория наследственности была опубликована в 1903 г. У. С. Саттоном, выпускником Колумбийского университета. К этому времени ученые всего мира полагали, что гены состоят из белков. Их представляли себе в виде белковых шариков, соединенных в длинные нити и свернутые внутри клеточного ядра. К концу первого десятилетия текущего века ученые-генетики полагали, что загадка химической природы наследственности решена и остается выяснить только некоторые недостающие подробности.

Однако в 1944 г. Освальд Эвери и его коллеги по Рокфеллеровскому институту в Нью-Йорке обнаружили, что гены состоят не из белка, а из ДНК. Сама ДНК была обнаружена в 1869 г. немецким химиком Фридрихом Мишером, но считалось, что по сравнению с белками ее роль незначительна. Эксперименты Эвери с бактериями пневмонии показали, что новые признаки могут быть переданы от бактерий пневмонии одного типа бактериям другого типа в процессе, называемом трансформацией. Если бы гены состояли из белка, то признаки, контролируемые данными генами, могли бы быть переданы при обмене белками между бактериями. Но Эвери доказал, что признаки не передаются с белком; это обеспечивает только передача ДНК. По свидетельству Эрнеста Борека, химика из Нью-Йоркского университета, "Эвери не утверждал этого, но фактически он выделил генетический материал клетки. Так сошлись два независимых пути исследований: один из них начался с открытия Мишером ДНК, другой - с дедукции законов наследственности, выведенных Менделем".

Эвери был застенчивым и вместе с тем увлеченным человеком; он был настолько поглощен своими исследованиями в Рокфеллеровском институте, что поселился напротив, чтобы жить поближе к месту работы. Его преданность науке оправдала себя, и ученые, пытавшиеся разгадать, каким образом гены обусловливают появление унаследованных признаков, получили важный ключ к решению. Как только выяснилась химическая природа ДНК, она стала доступна обсуждению, и это могло пролить свет на все, чем управляет ДНК, - речь идет не только о цвете глаз, но о самой жизни, старении и смерти.

Открытие Эвери, заключавшееся в том, что гены представляют собой ДНК, вызвало огромный интерес во всем мире, и ученые наперебой принялись изучать ДНК, пытаясь открыть секрет ее действия. Возглавили эту гонку две группы: Лайнуса Полинга с коллегами в США и Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика в Англии.

Американец Уотсон, получивший степень доктора биохимии в Университете штата Индиана, и англичанин Крик, выпускник английского высшего учебного заведения, комбинируя данные опытов, проведенных другими учеными, сформулировали гипотезу о структуре ДНК. Их статья, опубликованная в 1953 г. в английском журнале Nature, начиналась таким скромным введением: "Мы хотели бы предложить структуру... ДНК. Эта структура имеет некоторые новые свойства, которые представляют значительный интерес для биологов". Структурная модель Уотсона и Крика показывала, каким образом состоящие из ДНК. гены влияют на возникновение характерных признаков в клетке посредством производимой ими РНК. Действуя в качестве "гонца" от ДНК, РНК переносит в клетку "приказы" по производству разнородных белков, входящих в структуру клетки и определяющих ее метаболизм. Это описание функции клетки получило название "центральной догмы", так как современные ученые превратили ее почти в сим-вол веры: ДНК создает РНК, которая создает белки - основу существования клетки.

Но если ДНК - ключ к жизни клетки, она может быть и ключом к ее смерти. Могут существовать "гены смерти", управляющие синтезом белков, которые понемногу вызывают старение и убивают клетки. А возможно, по мере старения клеток функция ДНК становится менее выраженной, и это постепенно приводит к прекращению функционирования клетки, вызывая симптомы, которые мы называем старением. Не удивительно, что многие ученые после Уотсона и Крика изучали ДНК, стремясь научиться управлять характерными свойствами клеток, в том числе влиять на процесс их старения.

Наиболее успешные методы изучения ДНК разработаны на бактериях и вирусах, так как они довольно просто устроены и вместе с тем несут те же характерные признаки, что и остальные живые организмы: у них есть ДНК, и они синтезируют РНК и белки.

Вирусы проникают в другие живые организмы - в бактерии, растения или животные, - вторгаясь в их клетки, "грабя" их и заставляя производить новые вирусы; таков их образ жизни. Поэтому изучение вирусов может дать нам информацию о том, как ДНК управляет синтезом РНК и белков, в том числе и тех белков, которые могут стать причиной старения.