Таинственный геном человека Райан Фрэнк
Именно Уилкинс, заместитель директора отделения Совета медицинских исследований при Кингс-колледже, разжег в Уотсоне искру вдохновения своей неапольской лекцией 1950 года. Он же инициировал изучение ДНК в своем отделении, однако на момент назначения Франклин подменял Рэндалла, работавшего в Штатах. До этого времени Гослинг сотрудничал с Уилкинсом в исследованиях ДНК. Вернувшись из США, Рэндалл не сообщил Уилкинсу условия, на которых он предложил место в отделе Розалинд Франклин. По словам коллеги Франклин Аарона Клуга, в результате этого возникла «злополучная двусмысленность относительно позиций Уилкинса и Франклин в отделе, которая привела к возникновению отчужденности между ними и разделению исследований ДНК в Кингс-колледже».
Вот выдержка из письма, написанного Рэндаллом Франклин, в котором излагаются условия ее работы:
…что касается рентгеновских исследований, на данный момент в отделе будете лишь Вы и Гослинг, а также временный лаборант, выпускник из Сиракьюза мистер Хеллер.
Эта цитата явно показывает, что Франклин должна была заняться рентгеновской дифракцией, но примечание «на данный момент» является слишком размытым. Тем не менее в письме не говорилось о том, что Франклин должна игнорировать работу Уилкинса или отказываться от сотрудничества с другими работниками лаборатории.
Уилкинс совместно с Гослингом инициировал рентгеновские дифракционные исследования ДНК в своем отделе. В результате были получены лучшие (вплоть до настоящего времени) рентгенограммы, демонстрирующие ключевое свойство ДНК — упорядоченную и похожую на кристалл структуру ее молекулы. В Париже Франклин научилась применять дифракционные техники к веществам с ограниченной упорядоченностью. Но даже Клуг, который поддерживал ее во всем, говоря о ее работе во Франции, признавал: «Важно понимать, что… Франклин не получила формальных навыков кристаллографии».
В начале 1950-х годов Уилкинс жаловался на низкое качество рентгеновской аппаратуры, которая не была предназначена для изучения тонких волокон. По его предложению отдел приобрел новую рентгеновскую трубку, однако та пролежала без дела целый год, пока Уилкинс был занят работой в качестве заместителя директора отдела. Прибыв в Кингс-колледж, Франклин, естественно, полагала, что исследования ДНК станут ее персональным проектом, в то время как Уилкинс рассчитывал, что Розалинд продолжит его труды в качестве научного партнера с того места, где он остановился. Впоследствии он признавал, что ему недоставало квалификации для дальнейшей работы с технологиями рентгеновской дифракции и требовался преданный делу квалифицированный коллега. «Вот почему мы и наняли Розалинд Франклин».
К сожалению, Франклин и Уилкинс разошлись во взглядах на ее роль. Тем не менее несогласию совсем не обязательно было перерастать во вражду, как личную, так и профессиональную. Сложности, вызванные неоднозначным поведением Рэндалла, легко можно было бы преодолеть, будь на то желание обеих сторон. Однако Франклин, по мнению обоих ее биографов, не была готова идти на компромисс.
О предубеждении против женщин в науке, существовавшем в то время, написано достаточно много. В частности, американская журналистка и подруга Франклин Энни Сайр написала ее биографию, в которой утверждала, что в Кингс-колледже существовало особо недружелюбное отношение к коллегам женского пола, и Франклин пыталась утвердить свое место в сфере, которая на тот момент была практически полностью мужской. Однако еще один журналист из США, Хорас Фриленд Джадсон, решив исследовать этот вопрос, выяснил, что из 31 научного сотрудника Кингс-колледжа в то время восемь были женщинами, некоторые из них занимали достаточно высокие должности в отделе Франклин. Во второй биографии Франклин авторства Бренды Мэддокс говорилось, что в целом к женщинам в Кингс-колледже относились хорошо. О том же пишет и Крик, а уж он-то успел хорошо узнать Франклин за годы после открытия ДНК. Даже самая бытовая претензия Сайр — о том, что женщинам якобы запрещали входить в главную столовую и участвовать в беседах за обедом, — оказалась неправдой. Столовых в колледже было две. Одна из них действительно была предназначена только для мужчин, но там в основном обедали интерны англиканского вероисповедания. Основной столовой пользовались все сотрудники отдела, включая самого Рэндалла.
Холодность в отношениях между Уилкинсом и Франклин возникла вовсе не в результате предубеждений против женщин и, вероятно, даже не из-за формулировки, присутствовавшей в письме Рэндалла. Судя по всему, она объясняется различиями в характерах обоих ученых. Только Уилкинс пытался найти хоть какой-нибудь компромисс и даже спрашивал коллег, как ему поступить. Однако его ближайший соратник Александр (Алекс) Стоукс оказался еще более мягким, чем он сам. По мнению Бренды Мэддокс, Уилкинс и Франклин могли бы сработаться, ведь Уилкинс обладал прекрасными манерами и, несмотря на неуверенность в себе, нравился женщинам. Он хорошо разбирался в математике и прекрасно знал вопросы, которыми занималась Франклин. Однако, по словам Мэддокс, «конфронтация была единственной тактикой Франклин, когда ее загоняли в угол». Например, работая над своим магистрантским проектом, она однажды поссорилась со своим профессором Р. Дж. У. Норришем. Вспоминая об этом, Франклин говорила: «Я стояла перед ним… и это была настоящая буря… он заставил меня презирать себя настолько сильно, что впредь никакие его слова уже не задевали меня. Он дал мне чувство бесконечного превосходства, которое возникало в его присутствии».
Даже Сайр, которая во всем поддерживала подругу, признавала, что такое описание профессора было слишком неточным и злым с ее стороны. Профессор Норриш получил Нобелевскую премию по химии в 1967 году.
В переписке между Сайр и Норришем Франклин называют «очень умной… и готовой сделать себе имя в науке», но также «упрямой, неуправляемой» и, что важнее всего, «неспособной к сотрудничеству». По мнению Мэддокс, «если бы Розалинд захотела, она могла бы вить из Уилкинса веревки». Проблема была лишь в том, что она вообще не хотела иметь с ним дела. Уилкинс остался один и переметнулся в Кембридж к Крику и Уотсону. Кроме того, и сама Франклин оказалась в изоляции. Для здравомыслящего Крика этот фактор мог оказаться ключевым, когда дело дошло до совместной работы над структурой ДНК. «Наше преимущество заключалось в том, что мы сумели разработать… успешные способы сотрудничества, которых недоставало лондонской группе».
В тот же год, когда Франклин получила место в отделе, Уилкинс перед отъездом в Штаты попросил своего коллегу Алекса Стоукса, еще одного кембриджского профессора, подумать о том, какой дифракционный паттерн могла бы оставить на рентгеновской пластине спиральная молекула ДНК. Для того чтобы провести математические расчеты, Стоуксу потребовалось всего 24 часа, причем в основном он размышлял над этой задачей в поезде по дороге из лаборатории домой в Уэлин-Гарден-Сити. Спиралевидная молекула оказалась очень похожа на изображение, полученное Гослингом и Уилкинсом с помощью дифракции. Судя по всему, если бы кто-то обнаружил, что ДНК имеет спиралевидную структуру, он должен был бы включить в соавторы своей работы Уилкинса, Гослинга и Стоукса. Впоследствии Стоукс даже жаловался, что ему причитается 1/5000 от Нобелевской премии.
В ноябре 1951 года Уилкинс рассказал Уотсону и Крику, что располагает убедительными доказательствами спиралевидной структуры ДНК. Незадолго до этого Уотсон слышал, как на собрании в Кингс-колледже Франклин говорила что-то похожее. Это вдохновило Крика и Уотсона на создание первой пробной трехмерной модели ДНК.
Но с чего начать? Следуя примеру Лайнуса Полинга, Уотсон и Крик решили попробовать построить трехмерную физическую модель атомов и молекул, входящих в состав ДНК, а также соединяющих их ковалентных и водородных связей. На первый взгляд эта структура должна была состоять из довольно небольшого числа элементов: четырех нуклеотидов (гуанина, аденина, цитозина и тимина), молекулы сахара дезоксирибозы и молекулы фосфата. Последний играл поддерживающую роль, вероятно, скрепляя молекулу воедино (примерно так же, как он делает это в позвоночнике, обеспечивающем поддержку всему телу). Уотсон посетил коллоквиум в Кингс-колледже, но ему было настолько скучно, что он совершенно упустил важное замечание Франклин: фосфатно-сахарные «оси» должны были находиться снаружи молекулы, а кодирующие нуклеотиды (ГАЦТ) — внутри. Записей он, как всегда, не делал. Уотсона беспокоило лишь то, что коллеги из Кингс-колледжа, похоже, совершенно не интересовались технологией создания моделей, которой так гордился Полинг.
Судя по всему, в 1952 году Франклин резко изменила свое мнение относительно структуры ДНК. В ее распоряжении оказалось великолепное отчетливое изображение молекулы, сделанное Гослингом, на котором была явно видна спиралевидная структура. Франклин назвала ее «влажной формой», или В-формой, ДНК. Однако у нее имелись и более четкие рентгенограммы той же молекулы в «сухой», или А-форме, в которых спираль не прослеживалась. Из-за различия между двумя формами Франклин начала сомневаться, действительно ли молекула ДНК имеет спиралевидную структуру. Есть предположение, что она обратилась за советом к опытному французскому коллеге, который посоветовал сделать ставку на вариант, подкрепленный более четким изображением. Вероятно, ей также было известно мнение, которое высказал ее отринутый научный партнер Уилкинс. К сожалению, она отказалась от работы с В-формой и больше года работала над А-формой молекулы.
Ранее в том же году Уотсон и Крик предприняли первую попытку создать трехнитевую спиральную модель ДНК с центральной осью, состоящей из сахара и фосфата. Когда Уилкинс привел Франклин и Гослинга в Кембридж, чтобы показать результаты своей работы, те расхохотались. Модель была абсолютно неверной и совершенно не соответствовала результатам рентгеновской дифракции. Из-за рассеянности Уотсона и отсутствия каких-либо записей с семинаров Франклин он сделал огромную ошибку — поместил конструкцию из фосфата и сахара в самый центр спирали, а не снаружи, как предлагали Франклин и Гослинг.
Сайр в своих попытках противопоставить что-то карикатурному описанию Франклин, приведенному в книге Уотсона, совершенно забывает о вкладе Уилкинса и Гослинга. Франклин и Гослинг действительно получили одно из самых четких изображений В-ДНК, настолько совершенное, что практически полностью передало ее истинную молекулярную структуру. Но затем Франклин, сбитая с толку кажущимися различиями между А и В-формами, отказалась от своих более ранних выводов и в течение года придерживалась мнения, что ДНК вообще не имеет спиралевидной структуры. Сайр пыталась опровергать это, но Гослинг впоследствии подтвердил воспоминание Уилкинса о том, что 18 июля 1952 года Франклин отправила ему приглашение на поминки. В записке с прискорбием сообщалось о смерти спирали (кристаллической структуры) ДНК в результате затянувшейся болезни, а также имелась приписка: «Мы надеемся, что доктор М. Х. Ф. Уилкинс прочтет речь в память о покойной». На тот момент Уилкинс предположил, что это была шутка Гослинга, однако через много лет он узнал, что приглашение было написано Франклин. Таким образом, подтвердился ее отказ от идеи спиралеобразной молекулы ДНК.
В середине 1952 года Крик разговорился с молодым математиком валлийского происхождения Джоном Гриффитом, с которым он познакомился после лекции астронома Томаса Голда в Кавендишской лаборатории. Голд поразил воображение Крика понятием «идеального космологического принципа». Задумавшись о том, может ли существовать какой-либо аналогичный биологический принцип, Крик рассказал Гриффиту, который интересовался репликацией генов, о работе американского химика Эрвина Чаргаффа, открывшего, что нуклеотиды в ДНК формируют горизонтальные связи. Это очень напоминало труды Полинга, в которых также упоминались двумерные связи на плоскости, формируемые аминокислотами, которые составляют первичные протеиновые цепочки (так называемые пептидные связи). В сознании Крика возникла идея, что это открытие может иметь отношение к самовоспроизведению ДНК, и он попросил Гриффита выяснить, как именно четыре нуклеотида попарно соединяются между собой. Гриффит подтвердил, что Ц, скорее всего, находится в паре с Г, а А — с Т. Но и тогда Крик не понял, что перед ним лежит разгадка.
Эрвин Чаргафф был одним из австрийских ученых, покинувших Европу до начала Второй мировой войны и перебравшихся в США. В Америке он стал профессором биохимии в Колумбийском университете и занялся изучением нуклеиновых кислот. Возможно, читатель помнит, что недоверие научного сообщества к открытию Эвери базировалось на сбившей генетиков с толку «тетрануклеотидной гипотезе» Левина, которая предполагала, что ДНК состоит из повторяющегося одинакового кластера, сформированного четырьмя нуклеотидами. Такая простая формула не могла бы обеспечить огромный объем памяти, необходимый молекуле наследственности. Вот почему считалось, что ДНК не может быть ответом на загадку генов.
Но Чаргаффу было совершенно безразлично, что генетики думают об Эвери, и он был глубоко потрясен его открытиями. Если Эвери был прав и ДНК действительно являлась молекулой наследственности, то последовательности ДНК, например, у лошади, кошки, мыши и человека, должны отличаться. Чаргафф писал: «Между [их] дезоксирибонуклеиновыми кислотами должны существовать очевидные химические различия». Эти различия должны были проявлять себя в сочетаниях четырех нуклеотидов. Может показаться, что четырехбуквенного кода недостаточно, чтобы записать все то огромное разнообразие генов, которое существует в природе. Но если рассматривать нуклеотиды как буквы короткого алфавита, то гены станут словами, которые могут иметь любую длину. Этого достаточно, чтобы обеспечить необходимый уровень сложности.
В конце 1940-х — начале 1950-х годов технологические возможности науки были ограниченны. Чаргафф модифицировал методику, называемую бумажной хроматографией, для чтения различных пропорций четырех нуклеотидов в любом заданном образце ДНК.
После четырех лет лабораторных экспериментов с использованием ДНК дрожжей, бактерий, быков, овец, свиней и человека Чаргафф получил ответ: четыре нуклеотида, которыми записывается слово-ген, не присутствовали в них в равных пропорциях, как можно было бы ожидать в соответствии с гипотезой Левина. Например, человеческая ДНК, полученная из вилочковой железы, содержала 28 % аденина, 19 % гуанина, 28 % тимина и 16 % цитозина. От тетрануклеотидной гипотезы можно было смело отказаться. Но Чаргафф пошел еще дальше. Он доказал, что процентное содержание нуклеотидов варьируется между видами, но при этом остается неизменным у представителей одного вида, а также в органах и тканях одного организма. Кроме того, он заметил, что общая сумма молекул аденина и тимина соответствовала сумме молекул цитозина и гуанина. Это был настоящий прорыв.
В мае 1952 года по невероятному стечению обстоятельств Чаргафф прибыл в Кембридж, где Кендрю за обедом представил его Уотсону и Крику. Чаргафф был обижен тем, как мало им известно о его работе. Ему показалось, что эти двое вообще ничего не знают о химии нуклеотидов. Впоследствии Чаргафф рассказывал Джадсону: «Я объяснил наш вывод о том, что аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину». Но, насколько он мог понять, Уотсона и Крика интересовала только победа в гонке против Полинга и создание модели спирали ДНК в ответ на его модель белка. Уотсон вспоминал, как Чаргафф открыто упрекал их с Криком за то, что они «знали так мало и стремились к столь многому».
В целом оценка, которую Чаргафф дал знаниям Крика и Уотсона в области биохимии на то время, была правильной. Крик вообще ничего не знал о Чаргаффе и не понимал, что нуклеотиды соединяются между собой не ковалентными химическими связями, характерными для стабильных молекул, а более слабыми водородными связями. Что он мог вынести из объяснений Чаргаффа о равном процентном соотношении цитозина к гуанину и аденина к тимину?
Но тут Крика посетило озарение: что, если это означает наличие между нуклеотидами естественного химического притяжения? Может ли оно играть важную роль в копировании изначальной нити ДНК на дочернюю? Каждый Ц притягивает Г, а каждый А в дочерней последовательности совмещается с Т. Затем при репликации дочерней нити материнская последовательность воспроизводится заново. Крик сделал следующий шаг. Что, если ДНК состоит из двух нитей, дополняющих друг друга подобным образом? Возможно, если эти нити разделяются и копируют сами себя, из них получается вторая идентичная цепочка.
Казалось невероятным, что огромную и недоступную тайну наследования можно объяснить этими простыми химическими парами и притяжением между ними.
Затем Крик и Уотсон сделали ошибку — не научную, а человеческую. Они начали размышлять о том, что им известно, даже не попытавшись создать новую модель. Этот просчет едва не стоил им дела всей жизни. В декабре 1952 года Питер Полинг, сын Лайнуса, работавший магистрантом в Кавендишской лаборатории, рассказал Уотсону, что недавно получил письмо от отца, в котором тот сообщал, что раскрыл структуру ДНК. В течение следующего месяца Полинг показывал всем желающим предварительную версию статьи, которая должна была выйти в феврале 1953 года в Proceeds of the National Academy of Sciences. Позднее Уотсон и Крик признавались, что читали эту работу с замиранием сердца. Полинг предлагал тройную спираль с фосфатно-сахарной осью в центре. Некоторое время они были попросту ошарашены и сомневались, так ли верна их собственная модель, которую отрицали Уилкинс и Франклин. Затем они осознали, что все претензии, высказанные им кристаллографами, были применимы и к модели Полинга. На этот раз промах допустил великий химик.
Гонка за правильной структурой ДНК началась снова. Ранее кембриджский дуэт отказывался от работы с ДНК, но теперь Уотсон был уверен, что если они продолжат в том же духе, Полинг их обойдет.
Через несколько дней после прочтения работы Полинга Уотсон отвез ее в Кингс-колледж, где, если верить его биографии, он первым делом обсудил ее с Франклин. По словам Уотсона, она была в ярости. Уотсону показалось, что вспышка была вызвана критикой ее неприятия спиралевидных структур. Однако, судя по всему, он сам спровоцировал подобную реакцию: «[Поняв, что] Рози не собирается играть со мной в игрушки, я рискнул вызвать огонь на себя. Я прямо предположил, что она неправильно интерпретировала рентгеновские изображения».
Ничего удивительного, что Франклин так разъярилась.
Тот факт, что Уилкинс, не посоветовавшись с Франклин, показал Уотсону фотокопию полученной год назад особо четкой рентгенограммы влажной формы ДНК, точно подтверждавшей наличие у молекулы ДНК спиралевидной структуры, наделал много шума. На самом деле Уотсон, Крик и Уилкинс уже давно были уверены, что ДНК имеет форму спирали. В своей биографии, опубликованной в 2003 году, всего за год до смерти, Уилкинс утверждает, что рентгенограмма, которой хвастался Уотсон, была не украдена, а получена от Гослинга, который, собственно, и сделал ее и полагал, что, учитывая уход Франклин, она не будет против. Гослинг все еще занимался написанием докторской диссертации, и уход Франклин означал, что он остался бы без куратора. Следовательно, у него были все основания показать результаты своего труда директору отдела, который должен был бы занять ее место. Сам Гослинг подтверждает, что «Морис имел все права на эту информацию». Очевидно, Гослингу надоела вражда, спровоцированная нежеланием Франклин работать с Уилкинсом. Он с тоской вспоминал, что до прихода Розалинд в Кингс-колледже царил застой.
В то время Франклин готовилась покинуть Кингс-колледж и перейти в Лабораторию биомолекулярных исследований Биркбек-колледжа в Лондоне под руководством Дж. Д. Бернала. К ее чести, за два года в Кингсе она сделала ряд оригинальных открытий, касающихся ДНК. Благодаря исследованиям Франклин ученые узнали, что ДНК существует в двух формах, которые она отметила буквами А и В; что одна форма может превращаться в другую и что фосфатная основа молекулы находится снаружи, чему у нее имелись неоспоримые доказательства. Последний факт, в свою очередь, объяснял, почему ДНК охотно присоединяет к себе молекулы воды, которые создают вокруг нее защитную оболочку внутри ядра, предотвращают ее столкновения с соседними молекулами и облегчают ее растяжение.
Устроившись в Биркбеке, Франклин начала работать в дружественной и продуктивной атмосфере со своим начальником Берналом и магистрантом Аароном Клугом. Здесь она переключилась с волокон ДНК на молекулярное зондирование вирусов, в результате чего были написаны ее лучшие работы. Франклин умерла рано и трагически, завещав все свое состояние Клугу и его семье. Некролог, написанный Берналом с восхищением и уважением, был опубликован в The Times и научном журнале Nature:
Ее жизнь была примером полной преданности научным поискам… Как ученый мисс Франклин отличалась ясным пониманием и совершенными решениями всех стоящих перед ней задач. Ее фотографии — одни из самых прекрасных рентгенограмм химических веществ, когда-либо сделанных человеком.
Ни Франклин, ни Уилкинс не знали, что на тот момент, когда Уотсон ворвался к ним, размахивая работой Полинга, они с Криком уже были готовы создать новую трехмерную модель молекулы ДНК. После провала с тройной спиралью Брэгг запретил им любые работы в этой области. Уотсон очень хорошо описывает эмоции, захлестнувшие в этот момент его и коллег. Из этого описания очевидно, что Уотсон сообщал группе из Кингс-колледжа о выводах, сделанных вместе с Криком, и пытался донести до Франклин содержание статьи, написанной потенциально сильным соперником. Следует отметить, что до последнего эксперимента по расшифровке структуры ДНК Уотсон, Крик и Уилкинс открыто общались друг с другом. Если Франклин не присутствовала при этих обсуждениях, то лишь по собственному выбору. Ни в одной из биографий Франклин не говорится, что ее вдохновляла книга Шрёдингера или его теория апериодического кристалла. Она не выбирала ДНК темой своего исследования самостоятельно — ее предложил Рэндалл, хотя Франклин, очевидно, видела в ней вызов, брошенный ее растущему увлечению и мастерству рентгеновской кристаллографии.
Полные энтузиазма относительно моделирования, Уотсон и Крик объяснили методику Уилкинсу. Передавая ему бразды правления исследованиями ДНК, они даже одолжили ему свои детали, из которых собирались важные элементы моделей. Но не только Франклин отказалась работать с Уилкинсом — группа из Кингс-колледжа проигнорировала возможность применить на практике технику моделирования, разработанную Полингом. И вот теперь, в этот критически важный момент, Крик и Уотсон обнаружили, что Франклин покидает Кингс-колледж и оставляет работу над волокнами ДНК, а Уилкинс также прекращает всякую исследовательскую деятельность (по его словам, чтобы выждать, пока осядет пыль после отъезда Франклин, и начать все заново).
Уотсон имел все основания полагать, что Полинг, уязвленный собственной ошибкой с тройной спиралью ДНК, теперь занимался этой проблемой с удвоенной силой и наверняка работал над новым молекулярным подходом. После жаркого спора в Кингс-колледже Уилкинс и Уотсон отправились пообедать и выпить бутылочку шабли, но их застольная беседа не стала ни для одного из них источником вдохновения. Для Уотсона ключевой теоретический вопрос заключался не в том, является ли молекула ДНК спиралью, а в том, состоит она из двух или трех цепочек. Уилкинсу все еще больше нравился второй вариант, но, насколько понимал Уотсон, его рассуждения не были идеально верными. Поздно вечером Уотсон доехал на велосипеде от железнодорожной станции до Кембриджа и перелез на территорию колледжа через задние ворота. Тогда он уже принял решение построить модель из двух цепочек. Судя по всему, его веселый настрой на следующее утро передался и Крику, который, согласившись с этим планом, отметил, что важные биологические объекты всегда ходят парами.
Именно этого озарения (а решение Уотсона о концентрации усилий на двойной спирали трудно объяснить чем-то еще) и не хватало для интерпретации данных Чаргаффа и идей Крика о саморепликации ДНК. Учитывая положение дел в Кингс-колледже, даже Брэгг посчитал разумным разрешить этим непослушным молодым ученым вернуться к работе над загадкой гена, так как это могло принести группе победу над его собственным академическим противником Полингом.
Крик и Уотсон срочно начали моделирование. Уотсон занимался созданием масштабированных моделей различных химических веществ, входящих в состав ДНК, — четырех нуклеотидов (А, Г, Ц и Т), фосфата и сахара дезоксирибозы. Упорствуя в своем мнении, что ось, вероятно, состоящая из фосфата и сахара, должна находиться внутри молекулы, Уотсон попытался сконструировать новую модель на основе этого представления. Но Крик, «адвокат дьявола» в их паре, настаивал, что такое строение не соответствует данным рентгеновских исследований. И Франклин, и Гослинг в один голос уверяли, что фосфатный хребет должен быть расположен снаружи. Уотсон признавался, что попросту игнорировал это мнение, так как оно слишком облегчало моделирование и увеличивало количество возможных вариантов. Но теперь, убежденный доводами Крика, он решил поместить конструкцию из фосфата и сахара снаружи, создав нечто вроде экзоскелета, как у насекомых, а затем закрепить внутри двойной спирали нуклеотиды. Несмотря на результаты работ Чаргаффа и рекомендации, которые Гриффит дал Крику, Уотсон упорно пытался соединять А с А и Г с Г. Этот подход не работал.
И здесь в развитие событий снова вмешался случай. В кембриджскую лабораторию приехал американский ученый Джерри Донохью, бывший протеже Полинга. Будучи специалистом по водородным связям, Донохью внес в модель Крика и Уотсона поправки, чтобы она соответствовала законам квантовой физики.
Теперь Уотсон и Крик были абсолютно уверены, что имеют дело со спиралью из двух нитей, завивающихся в разных направлениях (сегодня мы считаем существование смысловой и антисмысловой цепи само собой разумеющимся). Две цепочки расположены друг напротив друга, а комплементарные нуклеотиды между ними соединены водородными связями. Уотсон сел за стол и вырезал из толстого картона кусочки в форме нуклеотидных молекул, а затем начал соединять их между собой, пытаясь подобрать пары.
«Внезапно я понял, что пара аденин — тимин, соединенная двумя водородными связями, идентична по форме паре гуанин — цитозин с таким же количеством связей».
Сегодня мы знаем, что вторая пара соединена тремя связями. Рассмотрев изображение, мы увидим, что стало ясно Уотсону.
Прибыв в лабораторию, чтобы оценить работу Уотсона, и увидев совмещенные детали из картона, обычно скептичный Крик практически тут же согласился с логикой своего коллеги. Оставалось лишь собрать полную трехмерную модель ДНК из кусочков проволоки разной длины, представлявших ковалентные и водородные связи, и молекул, составленных из отдельных атомов. Вся конструкция была закреплена на высоких вертикальных стальных прутьях. Получившаяся двойная спираль, мешанина проволоки и вырезанных от руки пластинок в форме молекул, завивалась вокруг центральных прутьев и уходила от лабораторного стола вверх к потолку.
Все, кто видел получившуюся модель, застывали перед ней в восторге, как будто сразу понимая, что она должна быть правильной. Но дело было не только в правильности — перед их глазами было великолепное творение, красотой которого следовало насладиться.
Кроме того, любому зрителю было очевидно, что она объясняет все загадки гена разом, в частности, наличие необходимой химической памяти и механизма копирования, который нужен гену для самовоспроизведения от клетки к клетке и от родителей к потомкам. Подобная молекула могла обеспечить кодирование, необходимое для передачи от поколения к поколению огромного и сложнейшего биологического разнообразия и запутанных эволюционных линий. Уотсон и Крик действительно раскрыли тайну жизни.
Первая работа Уотсона и Крика, посвященная структуре и функциям ДНК, была опубликована в журнале Nature 25 апреля 1953 года. Вместе с ней были напечатаны две статьи по той же теме от кристаллографов Кингс-колледжа: первая — авторства Уилкинса, Стоукса и Уилсона, а вторая — Франклин и Гослинга. Был учтен вклад всех, кто работал над структурой ДНК. Через пять недель Крик и Уотсон опубликовали в том же журнале вторую работу, в которой описывали влияние строения ДНК на генетические процессы. Одно короткое предложение из статьи от 25 апреля завладело вниманием ученых по всему миру: «Мы поняли, что постулированные нами специфические парные связи объясняют возможный механизм копирования генетического материала».
Эти публикации навсегда изменили современную биологию, эволюционную биологию и медицину, а последствия оказали гораздо более широкое и глубокое влияние на общество, чем Крик и Уотсон могли себе представить.
Удивительно, но всего через два года после образования их спонтанного научного союза Уотсон и Крик сумели правильно вычислить трехмерную химическую структуру ДНК. Крику на тот момент было 37 лет, и он еще даже не получил докторскую степень, а Уотсон и вовсе был 25-летним магистрантом. С первого взгляда кажется непонятным, как этим двоим неудачникам удалось совершить подобное открытие, тем более что предшествовавшую ему лабораторную работу выполнили совсем другие люди. Они не занимали высоких должностей в лаборатории — Крик был всего лишь научным ассистентом, а Уотсон лаборантом. Они были бедны, жили в спартанских условиях, но совершенно не переживали из-за этого. Они слишком поздно осознали важность открытий, сделанных другими учеными. Работа с ДНК вообще не входила в их официальные обязанности: Крик писал докторскую диссертацию о рентгеновской дифракции полипептидов и белков, а Уотсон должен был помогать Кендрю кристаллизовать молекулу миоглобина. Глава их отдела сэр Лоуренс Брэгг был против участия этой парочки в исследованиях ДНК (во многом по их же вине). По правилам научного мира Уотсон и Крик не должны были прийти к подобному результату никогда. Некоторые коллеги вроде Уилли Сидса, который оскорбил Уотсона в Швейцарии, считали, что эта пара (и Уотсон в частности) не заслуживает признания.
Критики упустили из виду одну важную деталь: то, что сделали Крик и Уотсон, было актом чистого творчества — как пьесы Шекспира, «Мона Лиза» да Винчи или Девятая симфония Бетховена. Разумеется, это не было художественное творчество, но творчество научное, сродни открытию силы притяжения Ньютоном, естественного отбора Дарвином или теории относительности Эйнштеном. Этот творческий порыв дал нам новый путь к пониманию самой Жизни и на самом глубинном уровне показал, что значит быть человеком.
В 1962 году Крик, Уотсон и Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие строения ДНК. Единственным из них, упомянувшим работу Розалинд Франклин, был Уилкинс. Он же признал и 1/5000 вклада Александра Стоукса. К сожалению, Франклин умерла от рака за четыре года до этого, как раз в то время, когда ее работа с вирусами получила мировое признание как одно из величайших достижений рентгеновской кристаллографии. Некоторые ученые, в том числе Сайл, задавались вопросом, не заняла ли бы Франклин место Уилкинса на трибуне, если бы была жива. Эту тему можно долго обсуждать, но лично мне это не кажется возможным. Уилкинс начал исследования ДНК в Кингс-колледже, вдохновленный книгой Шрёдингера, как Уотсон и Крик. Именно его дифракционное изображение (на самом деле сделанное Гослингом) убедило Уотсона переехать в Кембридж. Его сотрудничество с Уотсоном и Криком было таким тесным и плодотворным, что они хотели включить его имя в свою знаменитую первую работу и не сделали этого лишь из-за скромности Уилкинса. Вот почему я сомневаюсь, что Франклин могла бы заменить Уилкинса на награждении в 1962 году. Но я также верю, что имелась и другая возможность признать вклад Розалинд Франклин в рентгеновскую кристаллографию. Этот вклад подтверждается и глубочайшим восхищением, которое испытывал к ее работам такой видный ученый, как Бернал.
Перебравшись в Биркбек-колледж, Франклин установила успешные профессиональные отношения с химиком и биофизиком еврейского происхождения из Литвы Аароном Клугом, который, закончив университет в ЮАР, прибыл в 1953 году в Великобританию по стипендии для написания докторской диссертации по рентгеновской кристаллографии в дублинском Тринити-колледже. В этом же году была опубликована работа об открытии ДНК. В Биркбеке Франклин взяла Клуга под свое крыло. Через некоторое время рабочие взаимоотношения переросли в дружбу, которая продолжалась до конца жизни Розалинд. Мы знаем, что после смерти Франклин Клуг продолжил работу с ее техниками и в 1982 году получил Нобелевскую премию по химии. Официальная формулировка его номинации звучала так: «За разработку метода кристаллографической электронной микроскопии и прояснение структуры биологически важных комплексов нуклеиновая кислота — белок». Каковы шансы, что, доживи Розалинд Франклин до этого времени, она стояла бы на пьедестале вместе с Клугом?
За девять лет до этого, 12 августа 1953 года, через пять месяцев после создания первой модели двойной спирали, Фрэнсис Крик написал письмо Эрвину Шрёдингеру и поблагодарил того за вдохновение, которое дала его книга. В письме он описывает, как в структуре ДНК они с Уотсоном действительно открыли апериодический кристалл — код жизни.
6. Родственная молекула
У меня есть ощущение, что если ваша структура верна и если в ваших предположениях относительно природы репликации есть хоть капля истины, начнется шумиха, которая всколыхнет всю эволюционную биологию.
Макс Дельбрюк — Уотсону
Джадсон, который считается историком открытия ДНК, описывает расшифровку структуры ее молекулы как «осаду и завоевание». Поскольку трехмерная структура ДНК и ее четырехбуквенный код для записи наследственности стали наконец-то известны науке, можно было ожидать наступления эры просвещения. Но на самом деле в научном мире царила атмосфера непонимания. Открытие Уотсона и Крика вызвало бесконечное количество новых вопросов. Во-первых, действительно ли ДНК является средством кодирования наследственности всех живых организмов? Некоторые ответы на этот вопрос уже были получены: Эвери открыл ДНК у бактерий, фаговая школа работала над ДНК вирусов, а затем Чаргафф подтвердил ее наличие в клетках различных форм жизни. Итак, ДНК была универсальна. Во-вторых, как именно этот простейший четырехбуквенный код (Г, А, Ц и Т) обеспечивает образование от 80 до 100 тысяч белков, необходимых для построения и функционирования человеческого тела и всех других живых организмов на Земле?
Позднее Крик вспоминал, что у них имелся проект ответа белковой загадки. Так как структурная основа спирали состоит из повторяющихся фрагментов сахара и фосфата, единственными веществами, способными к кодированию наследственности и трансляции белков, были четыре нуклеотида, иначе называемые основаниями, или последовательностями оснований (ГАЦТ). Некоторые шаги к раскрытию этой тайны уже были сделаны. Эволюционный биолог Томас Хант Морган, работавший с плодовыми мушками в лаборатории Колумбийского университета, открыл, что геном состоит из хромосом. Морган, Мёллер и их коллеги установили, что и сами хромосомы разделены на дискретные участки, называемые генами. Следующий шаг — предположение о том, что гены кодируют определенные белки, — был сделан британским врачом Арчибальдом Э. Гэрродом еще в 1908 году, когда он понял, что наследственное заболевание алкаптонурия, вероятно, вызывается дефектом определенного энзима. Энзим — это белок, который ускоряет химические реакции в живых системах. Но Гэррод не смог пойти дальше и доказать, что дефект в энзиме — лишь отражение дефекта в гене. Связь между генами и белками подтвердили двое американцев — генетик Джордж У. Бидл и биохимик Эдвард Л. Тейтем, которые изучали наследственную передачу цвета глаз у плодовых мушек. К 1941 году они переключили внимание на грибки, заражающие заплесневелый хлеб, и сумели доказать, что определенный энзим, влияющий на химические процессы в плесени, кодируется одним геном. Это открытие привело к возникновению максимы «один ген — один белок». Но каким образом четырехбуквенный код ДНК превращается в 20-буквенный код белка (где под буквами мы имеем в виду аминокислоты)?
Для Фрэнсиса Крика именно эта загадка и была главной целью всей его научной деятельности, вдохновленной книгой Шрёдингера. После открытия двойной спирали из-за недостатка финансирования Уотсон вскоре был вынужден вернуться в Штаты, а Крик продолжил биться над тайной белков.
Поскольку ДНК содержится в ядре клетки, а производство белков осуществляется за пределами ядра в цитоплазме, вероятно, код гена должен каким-то образом копироваться, чтобы попадать в нее. Эта мысль заставила Крика обратить внимание на родственную молекулу ДНК — рибонуклеиновую кислоту, или РНК.
Между двумя молекулами существует вполне очевидное сходство. И та и другая — нуклеиновые кислоты, состоящие из различных последовательностей четырех нуклеотидов. В то время как ДНК составляют гуанин, аденин, цитозин и тимин (ГАЦТ), РНК состоит из гуанина, аденина, цитозина и урацила (ГАЦУ). В отличие от ДНК спираль РНК (в большинстве случаев) состоит не из двух, а из одной нити. Кроме того, роль сахара в РНК играет рибоза (вместо дезоксирибозы, входящей в состав ДНК). На момент открытия Уотсоном и Криком трехмерной структуры ДНК молекулярные биологи и генетики всерьез интересовались ее родственной молекулой. Незадолго до их прорыва многие ученые уже полагали, что РНК имеет большое значение для работы клетки.
В то же время у них были некоторые вопросы. Так, количество ДНК в клетках разных органов, например мозга и печени, остается неизменным, а вот объем РНК, судя по всему, варьируется. Более того, ДНК обнаруживалась только в ядре, в то время как РНК можно было найти и за его пределами в цитоплазме — той части клетки, в которой протекает большая часть химических процессов. Еще больше исследователей запутывало то, что количество РНК в клетке, очевидно, зависело от активности самой клетки. Растущая клетка, производящая большое количество белка, содержит больше РНК, чем взрослая и переживающая меньше химических процессов. Например, клетки печени, считающиеся фабрикой по выработке белка, оказались буквально набиты РНК. Кроме того, РНК также обнаруживалась в тех же областях цитоплазмы (в небольших круглых органах, называемых рибосомами), где происходило производство белка.
Итак, становилось ясно, что если ДНК является хранилищем генетического кода наследственности, который каким-то образом транслировался в последовательности аминокислот, составляющие белки, то РНК играет непосредственную роль в создании таких белков. Было понятно, как нить ДНК может превратиться в копию РНК — достаточно лишь заменить Т (тимин) на У (урацил) во время копирования. Уже в 1947 году двое ученых из Страсбурга — Андре Бойвин и Роджер Вендрели предположили, что ГАЦТ-последовательности ДНК копируются подобным образом на ГАЦУ-последовательности РНК, которая действует в качестве курьера, переносящего код в цитоплазму, где впоследствии в рибосомах формируются соответствующие белки. Оставалось лишь понять, как четыре буквы ГАЦУ превращаются в 20-буквенный белковый код.
Летом 1953 года, вскоре после публикации первой сенсационной работы Крика и Уотсона, Крику неожиданно пришло письмо от теоретического физика из России Георгия Гамова. Он был членом группы ученых, предложивших теорию Большого взрыва в качестве объяснения происхождения Вселенной. Идея двойной спирали очень его увлекла. В своем письме Гамов предлагал версию механизма, с помощью которого код ДНК транслируется в первичные последовательности нуклеотидов. Он считал, что триплеты А, Г, Ц и Т должны кодировать каждую аминокислоту. Но Крик чувствовал — что-то не сходится. Соединив четыре нуклеотида случайными способами, можно получить 64 триплета, а в белках встречается всего 20 аминокислот. Обдумав это, Гамов выдвинул оригинальную идею: триплеты могут частично перекрывать друг друга, и код для одной аминокислоты является одновременно частью кода для другой. Крик не поверил в эту идею, но взял письмо Гамова с собой на обед в неизменный паб Eagle. Предложение русского физика заставило Уотсона и Крика возобновить обсуждение загадки белков.
Вскоре после этого Уотсон вернулся в Америку, и пара ученых лишилась возможности обмениваться идеями. Более того, работа над этой задачей остановилась на несколько лет.
Летом 1954 года Крик и Уотсон снова воссоединились на три недели в Вудс-Холе в штате Массачусетс. Там же присутствовали Гамов и его жена. После обеда Крик и Уотсон обычно сидели вместе с семьей Гамовых на берегу, смотрели, как великий физик показывает карточные фокусы, и болтали все о той же загадке. После письма Крику Гамов составил список людей, которые тоже интересовались ее решением. Через какое-то время, не без участия Уотсона и Дельбрюка, была организована «вечеринка с виски и РНК», приглашения на которую получили лишь ученые из списка Гамова. Из нее вырос «клуб галстуков РНК», своего рода джентльменский клуб, насчитывающий всего 20 членов — по количеству аминокислот. Помимо Крика, Уотсона и Гамова в него вошли Мартинас Ичас, Алекс Рич и Сидни Бреннер, выходец из ЮАР и выпускник Оксфорда. Весной 1953-го Бреннер вместе с группой молодых ученых приехал из Оксфорда в Кембридж, чтобы встретиться с Уотсоном и Криком и посмотреть на их модель. На тот момент он занимался написанием докторской диссертации по молекулярной биологии и изучал бактериофаги. Во время прогулки с Уотсоном по саду Бреннер узнал об эксперименте Херши и Чейз. В момент создания клуба Бреннер был научным сотрудником лаборатории молекулярной биологии Совета медицинских исследований в Кембридже, но не утратил интереса к ДНК и генетике. Каждый из членов клуба получил по особому галстуку, сшитому в Лос-Анджелесе по проекту Гамова. Булавки для галстуков были разными — на каждой было написано сокращенное название одной аминокислоты. Например, на булавке Крика стояли буквы tyr — тирозин. Разумеется, это была всего лишь игра, ведь члены клуба даже не встречались вживую. Но, как и в случае с фаговой группой, они обменивались всеми публикациями и новостями, которые могли принести пользу общему делу. По словам британского журналиста и писателя Мэтта Ридли, составившего биографию Фрэнсиса Крика, последний являлся «главным мыслителем-теоретиком… дирижером в этом научном оркестре».
Бреннер математически доказал, что идея перекрывающих друг друга триплетов бесперспективна. К Крику и Лесли Оргелу присоединился друг и соратник Крика, молодой валлийский математик Джон Гриффит, попытавшийся исключить некоторые триплеты, которые попросту не могли бы существовать. Например, он вычеркнул из списка триплет ААА, потому что при расположении рядом с идентичной буквой А он мог бы вызвать затруднения. Методом исключения они рассчитали, что может существовать всего 20 осмысленных вариаций. Результаты этой работы были опубликованы в 1957 году в Proceedings of the National Academy of Science. К сожалению, они были абсолютно неверными.
Тем не менее у членов клуба уже появлялись кое-какие полезные идеи. Ген с его длинной нитеобразной молекулой, состоящей из определенных последовательностей Г, А, Ц и Т (иногда до тысячи или более букв), кодирует определенный белок, имеющий аналогичное строение — длинную цепь из 20 аминокислот, также расставленных в определенном порядке. Члены клуба знали, что серповидно-клеточная анемия (заболевание, характеризующееся наличием в красных клетках крови гемоглобина с аномальной структурой) вызывается мутацией в гене, кодирующем бета-глобин. Поломка в генетическом коде выражалась в неправильном строении гемоглобина. Крик обратил внимание на поступающие из разных источников идеи о том, что в переходе от генов на основе ДНК к сборке белков в рибосомах, скорее всего, участвуют две разные формы РНК. Одна форма, которую мы сегодня называем информационной РНК, или иРНК, копирует код всего гена из хромосомы внутри ядра и переносит его к рибосомам. Интересно, что информационная РНК была открыта группой исследователей в гарвардской лаборатории Уотсона. Вторая форма РНК, названная транспортной РНК, или тРНК, выбирает отдельные аминокислоты и, действуя в соответствии с кодом иРНК, присоединяет их по одной к формирующейся белковой цепочке. Таким образом, код, записанный нуклеиновой кислотой, переносится к месту строительства белков и воплощается в нем на практике.
Кодирующие триплеты ДНК путем проб и ошибок были в конце концов открыты группой, в которую входили Маршалл Ниренберг, Хар Гобинд Коран и Северо Очоа. Сегодня мы знаем, что триплеты ДНК, или кодоны, кодируют конкретные аминокислоты, но при этом одной аминокислоте может соответствовать более одного кодона. Например, для аминокислоты лейцина существует шесть различных кодонов (ЦТТ, ЦТЦ, ЦТА, ЦТГ, ТТА и ТТГ), для фенилаланина — две (ТТТ и ТТЦ), а для метионина всего одна (АТГ). Кроме того, некоторые варианты триплетов (ТАА, ТАГ и ТГА) не кодируют аминокислоты, но являются генетическим вариантом точки, которая ставится в конце последовательности аминокислот, прекращая сборку белка. Они известны как стоп-кодоны, или терминаторы.
Итак, очередной шаг к пониманию общей картины был сделан, но он вызвал новые вопросы. «Фабрики» по производству белка нуждаются в контроле. Как именно клетка понимает, какой белок ей нужно собирать? Как она решает, что на данном этапе жизни ей требуется именно этот белок? Как запускается и останавливается производство?
Возможно, вы помните, что большой вклад в открытие Крика и Уотсона внесла фаговая группа — сообщество ученых из разных стран мира, работающих с вирусами, заражающими бактерии. Троица ученых из Парижа, Андре Мишель Львов, Жак Моно и Франсуа Жакоб, занимались изучением фагов и бактерий-носителей в Институте Пастера. Они сконцентрировали свои усилия на бактериях, которые использовались во всех экспериментах с фагами, — Eschurichia coli, или, для краткости, E.coli. Эти бактерии чаще всего встречаются в человеческом кишечнике. Парижскую группу интересовало открытие, сделанное их американскими коллегами Джошуа Ледербергом и Эдвардом Тейтемом. Американские ученые заявляли, что, вопреки распространенным представлениям, бактерии ведут что-то вроде половой жизни. Обычно бактерии размножаются бесполым путем — дочерний организм просто отпочковывается от материнского, как если бы сосиску перетянули посередине, сделав из одной две. Но иногда у бактерий появляется вырост, играющий роль полового органа, при помощи которого она вводит свой генетический материал в тело другой бактерии. Ученые в шутку называли подобные действия «коитусом».
В 1955 году Жакоб вместе со своим коллегой Элаем Уоллманом стал изучать, как генетический материал переносится от одной бактерии к другой. Они знали, что гены бактерий, как и любых других форм жизни, состоят из ДНК, а также расположены вдоль одной длинной хромосомы, замкнутой в кольцо, которое в одной точке присоединяется к внутренней стороне стенки бактерии. Жакоб и Уоллман выяснили, что в процессе «коитуса» хромосома очень медленно вытягивается из «мужской» клетки и через клеточную стенку медленно проникает в «женскую». В то время как на почкование бактерии требовалось всего 20 минут, «бактериальный секс» занимал почти два часа. Это позволило Жакобу и Уоллману провести несколько экспериментов с «прерванным коитусом», в ходе которых они останавливали процесс в определенные сроки в течение этих двух часов. Поскольку гены бактериальной хромосомы всегда проникают сквозь клеточную стенку в одной и той же последовательности, они смогли наблюдать влияние определенных мутировавших генов и на основе этого определить, в какой части хромосомы находятся гены, отвечающие за те или иные свойства бактерии.
Затем французские ученые решили пойти в своем эксперименте еще дальше и определить, как именно контролируются гены внутри бактерии.
Они сфокусировались на трех генах, позволяющих бактериям транспортировать лактозу внутрь, а затем перерабатывать ее в два других сахара с меньшим количеством компонентов — глюкозу и галактозу. Бактерии нет смысла постоянно держать эти гены в активном состоянии, если лактоза в окружающей среде отсутствует. Французская группа выяснила, что в химии генов имеется механизм контроля. Когда лактозы поблизости не наблюдалось, он активировал «репрессор», который приостанавливал работу трех соответствующих генов. В присутствии лактозы репрессор прекращал действовать, а генетическая область рядом с генами, названная промотором, активировала их экспрессию.
Мы не станем вдаваться в генетические детали. Важно лишь понимать, что в клетках всех живых организмов существуют регуляторные системы, которые включают и выключают гены. Более того, эти системы умеют отслеживать ключевые сигналы, поступающие из-за пределов генома (в данном случае — наличие сахара (лактозы) в окружающей бактерию среде). Это была первая научная демонстрация того, что сегодня мы называем генетической регуляцией, и в 1965 году она принесла Львову, Моно и Жакобу Нобелевскую премию по медицине и физиологии.
А теперь пришло время магии. Я предлагаю вам прокатиться на волшебном поезде. Представьте себе, что мы внезапно уменьшились до микроскопических размеров, в тысячу раз меньше ретровируса. Клетка человеческого организма стала для нас размером с мегаполис, а нуклеотиды, входящие в состав ДНК, видны невооруженным взглядом. Всего доля секунды нужна нам, чтобы забраться в вагоны и начать увлекательное путешествие.
Звучит свисток — и мы пускаемся в путь. Прямо перед нами слева направо простирается невероятно прекрасная сияющая двойная спираль. Мы приближаемся, она оказывается плоской, но сияние не прекращается, и ее расположение не изменяется. Мы видим, что спираль принимает форму железнодорожного полотна с двумя рельсами и близко расположенными друг к другу шпалами. В течение пары секунд мы можем наблюдать невероятную структуру ДНК вблизи. Затем я останавливаю двигатель, и наш волшебный поезд зависает в клубах пара прямо над полотном. Вы выходите из вагона, чтобы получше рассмотреть, где мы находимся.
Мы прогуливаемся вдоль сияющей молекулы ДНК в направлении будущего движения нашего поезда.
То, что мы принимали за рельсы, оказывается чем-то вроде лент, состоящих из чередующихся четырехконечных звезд и пятиугольников, расположенных под прямым углом к шпалам. Вид этой конструкции потрясает. Звезды и пятиугольники собраны из сверкающих шаров, соединенных силовыми линиями.
Вы подходите поближе, как и я, завороженные этим зрелищем.
— Итак, шары — это атомы, из которых состоят компоненты молекулы?
— Да.
— А кресты и пятиугольники — это?..
— Пятиугольники — это дезоксирибоза, а звезды — поддерживающие молекулы фосфата.
— И из них сделаны рельсы?
— Фосфатные звезды формируют внешний каркас, о котором спорили Уотсон и Крик. Каждая молекула сахара соединяет каркас со шпалой.
— А светящиеся линии между атомами — это стабильные ковалентные связи?
— Да. Фосфаты скрепляют всю конструкцию воедино, а сахар соединяет рельсы со шпалами. Кстати, пора бы присмотреться к ним повнимательнее.
Я позволяю вам медленно пройтись вдоль путей, рассматривая шпалы.
— Они прикрепляются к внутренним углам каждого пятиугольника?
— А что еще вы видите?
— Каждая шпала состоит из двух деталей, соединенных посередине.
— Да, это два комплементарных нуклеотида, но на самом деле соединение не расположено точно в центре.
— Это было бы странно, ведь комплементарные нуклеотиды имеют разную структуру. Вот здесь соединение ближе к верхнему рельсу, а в следующей шпале — к нижнему.
— Пурины (гуанин и аденин — Г и А) шире, потому что содержат по два смежных атомных кольца. А пиримидины (тимин и цитозин) короче, потому что в их состав входит только по одному кольцу.
— Получается, что, так или иначе, шпала всегда состоит из одного пурина и одного пиримидина?
— Да. Это-то и объясняет их форму. Присмотритесь к соединению в центре шпалы и обратите внимание, как совпадают стыки нуклеотидов. Вам не кажется, что это на что-то похоже?
— Да, как будто два соединенных кусочка пазла.
— Именно.
— Поэтому они комплементарны?
— Да. Теперь вы понимаете, почему молекула имеет именно такое строение?
— Значит, в настоящем ДНК нуклеотиды похожи на бусины, нанизанные на леску из фосфатов и сахаров?
— Нет. Был один ученый, кажется, математик, который привел Крику такое сравнение. Но он был не прав. Крик ответил ему, что леска — это вся ДНК.
— ДНК включает и фосфаты, и сахара, не только нуклеотиды, так?
— Да. Вся молекула должна иметь именно такую структуру. Вы понимаете почему?
Вы еще раз прогуливаетесь вдоль полотна, обдумывая мой вопрос.
— Нуклеотиды, то есть основания, не контактируют между собой по всей длине цепи?
— Нет. Они встречаются лишь парами и формируют шпалы. И у них всегда есть комплементарные партнеры. А соединяются они с Т, Г с Ц или наоборот.
Несколько секунд вы рассматриваете лежащее перед вами биологическое чудо.
— Получается, код заключен в шпалах?
— Именно. Они же объясняют, как этот код реплицируется и формируется новая дочерняя нить ДНК и как код из генов транслируется в белки. Важно понять, что код содержится в каждом из рельсов. Если мы возьмем верхний рельс, то код будет определяться последовательностью из половинок шпал. Вы можете его прочитать, достаточно лишь пройти вдоль путей, называя каждый из нуклеотидов своей буквой.
— Давайте я попробую. А, А, Ц, Т, Г, Ц… Кажется, я понимаю, как это работает. Но зачем нужен второй рельс?
— Код уже скопирован на дочернюю нить. На втором рельсе вы видите такую копию.
— Ага! Выходит, двойная спираль — это на самом деле две копии кодирующей ДНК?
— Да, две взаимодополняющие последовательности. Хотите посмотреть, как она копирует сама себя?
— Конечно!
Мы отходим на пару шагов от полотна, из нашего паровоза вырывается облако дыма. Рельс начинает вибрировать.
— Что происходит?
— Для того чтобы скопировать саму себя, двойная спираль должна разделиться на отдельные нити. Обычно это происходит под влиянием энзима, но простого нагревания тоже достаточно. Тепло дает энергию, которая позволяет разорвать связи между шпалами.
— Значит, связи, которые удерживают шпалы вместе, нестабильны?
— Да. Это достаточно слабые водородные связи, которые мы упоминали, когда говорили о Лайнусе Полинге и его исследованиях.
Мы смотрим, как шпалы расходятся, будто кусочки мозаики. На горизонте появляется облако и начинает двигаться вдоль верхнего рельса с его половинками шпал.
— Что это?
— Это облако — энзим, белок под названием синтетаза, который способствует репликации ДНК.
Мы смотрим, как облако скользит вдоль отделившегося рельса слева направо. Оно выбирает из окружающей среды необходимые нуклеотиды и соединяет их с парами — А с Т, Ц с Г, Т с А и Г с Ц. Еще один элемент облака, вероятно, другой энзим, собирает необходимые фосфаты и сахара и строит второй рельс.
Вы так поражены скоростью этой работы, что не в состоянии вымолвить ни слова. Облако проносится мимо нас всего за несколько секунд, и вот уже перед нами простирается новенький сверкающий путь.
— И это все?
— Почти. Но перед тем, как мы поедем домой, я хотел бы показать вам еще кое-что. Нам нужно будет проехать по этому новому пути.
В мгновение ока перед нами появляется волшебный поезд, готовый к продолжению путешествия. Мы заходим в него, даем сигнал и на всех парах мчимся на восток.
— Следите, когда впереди покажется красный свет.
Через несколько километров вы замечаете на горизонте красное сияние.
— Он прямо на нашем пути, справа.
— Да. Должно быть, он льется из дочерней копии.
Я объясняю вам, что рельс, расположенный ближе к нам, называется смысловой нитью, а другой путь, то есть дочерняя копия, — антисмысловой. Генетические механизмы считывают эту информацию по мере движения в противоположном направлении. Я глушу двигатель, чтобы мы могли понять, что означает красный свет.
— Смотрите на шпалы.
Вы садитесь на корточки, чтобы приглядеться. Поначалу вам кажется, что все в порядке. Стык двух элементов, как и раньше, находится чуть ближе к краю — более короткий нуклеотид расположен слева, а более длинный — справа. Но затем вы понимаете:
— Если слева Ц, то правая половинка шпалы должна быть Г. Но это не так, вместо нее стоит А.
— И?
— Значит, механизм копирования совершил ошибку.
— Верно.
— Так это… мутация?
— Именно так. Точнее говоря, это то, что мы называем точечной мутацией — неправильное копирование всего одного нуклеотида. Но если (а вернее, когда) эта антисмысловая нить скопирует сама себя, к мутировавшему нуклеотиду присоединится тимин, мутация окажется зафиксированной в двойной спирали и начнет воспроизводиться. Если это произойдет во время формирования половой клетки (сперматозоида или яйцеклетки), мутация перенесется в геном нового поколения.
— И насколько часто случаются такие мутации?
— Чаще, чем вы можете себе представить. Но в облаке, что мы видели раньше, имеется механизм компенсации, который обычно распознает и исправляет их. Хотя иногда мутациям все-таки удается просочиться в геном.
— И это вызывает заболевания?
— Большинство мутаций не связано с болезнями. Они возникают лишь в случае, если мутация возникает в участке ДНК, который играет важную роль во внутренней генетике потомка, или если она сильно влияет на ген, кодирующий тот или иной белок.
В начале ХХ века голландский ботаник Хуго де Фриз совершил прорыв в науке, доказав, что менделевские дискретные единицы наследственной информации могут изменяться под влиянием мутаций. Поразительно, но он сделал это, не зная ничего о структуре ДНК или строении гена. Как мы только что видели, мутация — это ошибка в последовательности нуклеотидов, возникшая во время копирования ДНК. Мутации могут происходить (хотя и редко) в рамках обычного процесса копирования, но появляются гораздо чаще, если в ходе репликации на ДНК воздействуют внешние факторы, например токсичные химические вещества или избыточные дозы радиации.
Существует множество видов мутаций. Мы с вами наблюдали самую простую, в рамках которой один нуклеотид был заменен другим. Такая мутация называется точечной. Так называемые мутации со сдвигом рамки генетического кода происходят в результате удаления одного нуклеотида. Представьте, какие последствия это может иметь для следующего за таким пропуском кодона. Удаление одного нуклеотида смешает всю последовательность идущих за ним триплетов и превратит строительство белка в настоящий хаос. Даже точечная мутация в гене, кодирующем белок, может привести к изменению аминокислот в этом белке. Именно таким образом возникает серповидно-клеточная анемия. В данном случае мутация заменяет аденин в гене, кодирующем бета-глобин, тимином. При трансляции поврежденного кода вместо глутаминовой кислоты в структуру белка встраивается валин. Так формируется аномальный гемоглобин, который и вызывает заболевание. Если потомок получает всего одну копию мутировавшего гена, он страдает от слабой формы анемии и по странному стечению обстоятельств получает защиту от малярии. Двойная доза мутировавшего гена, полученная от обоих родителей, приводит к развитию острой формы заболевания, которая может оказаться смертельной в первые годы жизни человека. Мутации, воздействующие на клетки тканей и органов тела, а не на половые клетки, являются одной из причин возникновения различных видов рака.
Для того чтобы дать вам базовое понимание генетики, я должен объяснить еще несколько терминов. Помимо половых хромосом X и Y мы наследуем от каждого из родителей еще по 22 неполовых хромосомы, или аутосомы. Это означает, что и мужчины и женщины получают по две копии каждого из генов, входящих в состав таких хромосом. В случае, если мутация возникает в гене аутосомы во время формирования яйцеклетки или сперматозоида, она влияет только на одну из двух копий, получаемых ребенком. Если второй, правильной, копии гена достаточно для удовлетворения биохимических потребностей организма, то в его внутренней химии не происходит никаких изменений и болезни не появляются. Такой тип мутаций называется рецессивным. Но иногда даже одного гена достаточно, чтобы перевернуть всю внутреннюю химию с ног на голову, даже несмотря на то что парный ген абсолютно нормален. Такую мутацию называют доминантной. Если доминантная или рецессивная мутация вызывает заболевание, врачи называют его «наследственным нарушением обмена веществ» или «врожденной ошибкой метаболизма».
Из-за мутаций доминантных генов возникают многие заболевания, например болезнь Хантингтона, при которой у человека в течение жизни существенно ухудшается функционирование мозга. Для возникновения наследственного нарушения обмена веществ недостаточно одного рецессивного гена, но если копии одинаковых рецессивных мутирующих генов имеются у каждого из родителей, ребенок с вероятностью 25 % наследует именно их и при отсутствии нормальной версии гена у него разовьется болезнь.
Один из 2500 детей, рожденных у родителей-европеоидов, страдает от муковисцидоза, что делает его самым распространенным наследственным заболеванием. Оно вызывается рядом мутаций, воздействующих на ген-регулятор CFTR (муковисцидозный трансмембранный регулятор), расположенный в области q31–32 седьмой хромосомы человека. Этот ген кодирует ионный канал, участвующий в переносе химических веществ через мембраны клеток. Муковисцидоз — это, пожалуй, самый известный пример болезни с аутосомно-рецессивным типом наследования. Однако существуют и другие заболевания, которые потенциально можно излечить добавлением одного «нормального» гена. Все эти болезни, включая муковисцидоз, являются объектами интенсивных современных исследований, направленных на создание генной терапии.
Еще один тип мутации ведет к возникновению заболеваний с рецессивным типом наследования через половые хромосомы. Женщины имеют две половые Х-хромосомы, а мужчины — только одну, наследуемую от матери. Это означает, что рецессивный ген, входящий в состав Х-хромосомы, зачастую не оказывает влияния на женщин, но при наследовании мужчиной превращается в доминантный. Мутации подобного рода вызывают гемофилию — заболевание, которое уничтожило не один королевский дом в Европе. Они же являются причиной цветовой слепоты, которая имеется у 7–10 % мужчин, и некоторых видов мышечной дистрофии.
Такие мутации, затрагивающие всего один ген, обычно наследуются в соответствии с законами Менделя. К ним относятся, например, ахондроплазия и болезнь Хатчинсона, наследуемые по аутосомно-доминантному типу, муковисцидоз с аутосомно-рецессивным типом наследования и заболевания, вызываемые изменениями в половых хромосомах. На сегодня ученые выявили более 5000 моногенных заболеваний, вызываемых мутациями. Некоторые мутации изменяют количество хромосом (как при синдроме Дауна), удаляют, копируют, фрагментируют или иным образом повреждают их структуру, что приводит к огромному количеству заболеваний. Как уже говорилось, мутации часто являются причиной рака, который обычно возникает в полностью развитых тканях через много лет после эмбриогенеза. Другие хромосомные аберрации затрагивают половые клетки, что может мешать правильному развитию плода и приводить к врожденным аномалиям или наследственным нарушениям обмена веществ. В таких случаях ясное понимание генетической причины (или причин) произошедшего необходимо как для профилактики, так и для лечения.
Медицинский подход к мутациям включает консультации с генетиками. Например, пара, которая хочет завести ребенка, но осознает риск развития у него определенных заболеваний, может получить всю необходимую информацию и принять решение на ее основе. Широко распространяется информация о рисках, связанных с повышением возраста материнства, облучением половых клеток и плода, принятием некоторых лекарств (например, талидомида), контактом с химическими веществами и вакцинацией против краснухи. Новые технологии, такие как преимплантационная генетическая диагностика, позволяют проводить генетический скрининг эмбрионов, состоящих всего из 16 или 32 клеток, и отбирать для имплантации самые здоровые. Сегодня для предсказания генетических отклонений применяется скрининг отдельных эмбриональных клеток. Подобные действия не только снижают вероятность развития серьезных осложнений у детей, на которых влияют факторы риска, но и позволяют прекратить распространение мутации в будущих поколениях. Разумеется, такая «позитивная форма евгеники» должна следовать множеству этических и моральных принципов, которые распространяются как на врачей, так и на пациентов.
Лечение онкологических заболеваний — еще одна область, в которой интенсивное изучение мутировавших генов дает надежду на разработку более эффективных технологий лечения. Здесь речь идет о более сложных генетических отклонениях, чем в случае с наследственными заболеваниями. Очень часто на развитие болезни влияют множественные мутации или факторы среды. На генетическом уровне рак включает несколько стадий развития, на которых возникают множественные мутации, воздействующие на регуляторные пути. Последние исследования показывают, что для развития рака эти мутации должны взаимодействовать между собой. Главной областью исследований на сегодня как раз и является природа такого взаимодействия и регуляторные пути, на функционировании которых оно сказывается. Расшифровка человеческого генома позволила с такой точностью увидеть генетические изменения, являющиеся предпосылками к раку, что американские онкологи Фогельштейн и Кинцлер даже заявили, что «рак, по сути, является генетическим заболеванием».
От 15 до 20 % женщин, страдающих от рака груди, имеют старших родственниц с тем же заболеванием, а 5 % всех случаев рака груди связывают с мутацией в генах BRCA1 и BRCA2. Генетики предсказывают, что шанс развития рака груди на каком-то этапе жизни у женщин, имеющих подобные мутации, составляет 80 %. Сегодня существуют различные способы снижения этого риска — профилактическое удаление яичников, регулярное обследование и возможность оперативного вмешательства на ранних стадиях.
В 2006 году в Америке было проведено первое комплексное мультицентровое исследование более 13 тысяч генов из клеток, пораженных раком груди и прямой кишки. Располагая расшифровкой «здорового» человеческого генома, ученые смогли провести сравнительный анализ и выяснили, что отдельные опухоли содержат до 90 мутировавших генов. Судя по всему, лишь небольшая их часть играет активную роль в онкологических процессах (по оценкам исследователей, примерно 11 для каждого типа рака). Воодушевленный этими открытиями, Национальный институт здравоохранения США занялся составлением атласа раковых геномов (The Cancer Genome Atlas Project, или TCGA). Целью проекта является расшифровка генома каждого типа рака, поражающего человека, и выявление типичных для всех них генетических аномалий путем сравнения с геномом здорового человека. В пилотных исследованиях изучаются рак легкого, мозга и яичников. Этот проект вовсе не воздушный замок: рак уже сдает позиции по многим фронтам, сегодня некоторые его формы полностью излечимы хирургическим путем или с помощью лучевой, химио— и иммунотерапии. То, что когда-то считалось смертным приговором, превращается в хроническое, но контролируемое состояние.
7. Следующий логический шаг
Три главных компонента научных исследований — думать, говорить и делать; из них мне больше всего нравится последнее, и это я, наверное, делаю лучше всего. Думать я тоже умею неплохо, а вот говорить — не очень.
Фредерик Сэнджер
В конце 1960-х мне повезло стать студентом-медиком в Шеффилдском университете. Уотсон и Крик еще были относительно молоды, и их открытие было сделано всего 15 или 16 лет назад. Я помню ощущение чуда, когда преподаватели рассказывали нам о строении ДНК, и помню, как ясно и просто ее четырехбуквенный код расшифровывался в белки. У нас были лекции по генетике, на которых мы поняли, что мутации — важный шаг в понимании самых разных наследственных болезней, включая так называемые наследуемые ошибки метаболизма. Нам также рассказывали о важности этих открытий для родственной отрасли знания — эволюционной биологии. Припоминаю, как волновало меня понимание того, что биология и медицина вот-вот увидят мир совершенно по-другому, основываясь на более глубоком понимании ДНК и ее молекулярных вариаций. Это понимание, естественно, повлияет не только на ученых-биологов и врачей, но и на человечество в целом. Однако на том этапе многие важные вопросы еще оставались без ответов.
Вот один очевиднейший вопрос: как оплодотворенное яйцо (зигота) чудесным образом развивается в сложный организм — человеческого ребенка? Как эта удивительная молекула, ДНК, хранит не только наследственную информацию индивидуума, но и набор инструкций, по которому одна клетка, зигота, дает начало развитию эмбриона с самыми разными клетками, тканями и органами, из которых затем получается человеческое дитя?
Науке было многое известно о развитии тканей эмбриона, однако ученые очень мало знали о генетике, регулирующей соответствующие процессы. Работы в Институте Пастера (Франция) впервые приоткрыли завесу тайны: они дали нам понимание того, как гены активируются и деактивируются включением и выключением последовательности нуклеотидов — промотора. Это был первый шаг на пути к тому, что сегодня мы называем «регуляцией экспрессии генов».
В те времена мы уже знали, что клетки, из которых состоят различные ткани и органы человеческого тела (например, клетки мозга, или лимфоциты, борющиеся с инфекцией в нашей крови, или клетки, из которых состоят почки, печень, сердце или лёгкие), содержат в ядре одну и ту же ДНК. Разница в структуре и функциях этих клеток и, соответственно, формирование различных тканей и органов подразумевает, что должна быть какая-то разница в экспрессии генов. Здесь возникает вопрос, чем вызваны различия — разными генами или разницей в профилях или времени экспрессии одних и тех же генов?
На этом вопросы не заканчивались.
Каким бы ни было объяснение — отдельные гены для отдельных клеток или разные профили экспрессии одних и тех же генов, — все равно должна существовать система, которая решает, какой именно ген (или какой профиль) запустится для тех или иных клеток, тканей и органов. Это будет ключевым фактором в планировании и регулировании развития человеческого эмбриона. Скорее всего, схожие механизмы будут работать для эмбрионов всех животных, а может быть, даже для растений.
Вспомним Сиднея Бреннера, который вместе с Криком изучал трансляцию генов в белки в Кавендишской лаборатории. В 1973 году, работая в лаборатории Центра медицинских исследований в Лондоне, Бреннер опубликовал работу по этому вопросу. Она начиналась так: «Как гены могут определять сложные структуры высших организмов? Биология еще не знает ответа на этот важный вопрос». Он объяснял, что на данный момент многие молекулярные механизмы, ранее найденные у микробов, в таком же виде были найдены в эукариотических клетках — клетках животных и растений, в которых есть ядро. Генетический код оказался универсальным — и механизмы синтезирования белка по этому коду тоже. «Существует много объясняющих это теорий [как ДНК высших организмов контролирует регуляцию экспрессии генов], но вопрос в целом остается невыясненным». Бреннер выбрал другую модель, чтобы изучить, как устроены и организованы гены животных. В своей работе он рассказал об этой новой модели: миниатюрный круглый червь Caenorhabditis elegans длиной в миллиметр, обитающий в почве средних широт. C. elegans обладает рядом весьма привлекательных в рамках данного исследования черт. Червь не является паразитом и не заражает лаборантов; у него очень простая структура — всего 959 клеток; его легко разводить; он прозрачный и его легко рассмотреть под микроскопом; его геном состоит из всего пяти пар аутосом и одной пары гетерохромосом; у него два пола — гермафродиты и мужские особи.
Короче говоря, для генетиков червь представляет идеальный образец для экспериментов: его легко разводить, безопасно хранить в больших количествах и у него есть особи различных полов и генетика, которую легко изменять.
В своей работе Бреннер показывает, как в рамках экспериментов он вносил изменения в более чем 300 генов червя, чтобы показать, как эти изменения отразятся на его биологическом строении и поведении. Но даже на примере такого простого организма Бреннер увидел, что генетика его намного сложнее, чем он мог себе представить. На простые извивающиеся движения червя влияли 77 различных генов. Однако его дальнейшее изучение показало, что модель для эксперимента была выбрана правильно. Модель была способна на практике продемонстрировать, как работают гены, в частности, как они регулируют загадочные и сложные изменения, происходящие в процессе развития эмбриона, когда его стволовые клетки начинают меняться и формируют множество различных тканей и органов.
Модель Бреннера внушала надежду. Ею воспользовались во многих научных центрах. По мере того как знания становились более глубокими, вместо С. elegans, который когда-то заменил фруктовых мушек, ученые исследовали геном рыб, лягушек, ланцетников и млекопитающих (мышей), а также многих растений.
Человеческое тело состоит из более чем 200 различных типов клеток, формирующих конечности, ткани и органы, которые выполняют отдельные функции. Чтобы из зиготы сформировалось всё вышеуказанное, она должна состоять из так называемых тотипотентных клеток, которые могут развиться в любую ткань человеческого организма, включая плаценту и эмбриона. Первая дифференциация на этом этапе — из тотипотентных в плюрипотентные клетки. У последних есть множество вариантов развития, но они не превратятся в клетки внезародышевых органов. Плюрипотентные клетки — это клетки, из которых развиваются более сложные структуры и при дальнейшей дифференциации начинают формироваться различные ткани и органы. Эти же клетки, также называемые стволовыми, остаются в нашем организме на протяжении всей жизни, восстанавливая поврежденные ткани в постоянном круговороте, необходимом для нормального физиологического функционирования организма и его здоровья. Чтобы сделать возможной трансформацию эмбриона с такой удивительной точностью, каждая клетка должна «знать» о своей дальнейшей судьбе. Эта судьба определяется точно выверенной бюрократией генетического механизма, включая эпигенетическую регуляцию, о которой мы поговорим в следующей главе, а также сущности, известные как гены-регуляторы.
До конца 1980-х генетики, работавшие с фруктовыми мушками, открыли группу генов, которая отвечала за порядок расположения отдельных сегментов тела насекомого в процессе формирования эмбриона внутри яйца. Они назвали эту группу homeobox, или Hox. Дальнейшие исследования показали, что точно такой же набор генов Hox в том же порядке в определенной хромосоме играет очень важную роль в развитии эмбриона у животных. У человека план развития эмбриона, управляемый набором Hox, определяет правую и левую стороны, отвечает за нашу двустороннюю симметрию. Сравните наше строение с экзотическими морскими животными эхинодермами — к ним относятся, например, морские звезды и морские ежи. У них симметрия радиальная, как у долек апельсина или лепестков ромашки.
Человеческий эмбрион начинает развиваться из клеток зиготы, а набор генов Hox диктует ему, где будет голова, где на ней расположить глаза, нос и челюсти; позвонок за позвонком строится шея. Позвонок за позвонком двенадцать костей формируют грудную клетку с зачатками верхних конечностей и ребер. Точно так же формируются поясничные позвонки, которые будут поддерживать брюшную полость, и, наконец, крестцовый отдел позвоночника, который поддерживает таз и нижние конечности. Все располагается определенным образом относительно центральной оси нашего тела. Развитие набора генов Hox было важным шагом в эволюции животных. Их функция настолько важна, что они сохранялись неизменными в процессе естественного отбора на протяжении очень долгого времени. Например, хотя общий предок насекомых и человека жил в океанах 600 миллионов лет назад, если бы мы заменили Hox — ген в зиготе насекомого, отвечающий за расположение его глаз, на человеческий ген, глаз насекомого все равно развился бы правильно.
В Hox — генах закодированы белки, но не энзимы, они не участвуют в построении организма — кожи, почек, сердца, костей, а регулируют экспрессию генов (транскрипцию генов). Поэтому их также называют факторами транскрипции. Белки, закодированные Hox — генами, связаны с ключевыми нуклеотидными последовательностями в хромосомах (известны как гены-модификаторы), где они включают или выключают определенные гены. Со временем ученые открыли множество подобных генов-регуляторов, которые играют огромную роль в развитии эмбриона и функционировании человеческого организма на протяжении жизни. Ключевые гены вроде группы Hox запускают процесс из нескольких шагов развития, включающий сигнальные гормоны и факторы транскрипции. В подобных системах один ключевой ген может запускать много вторичных генов, которые в свою очередь запускают другие гены, образуя каскад из сотен генов, которые и определяют «путь развития». Это гарантирует, что определенная часть эмбриона станет мозгом, конечностью, почкой или ногтем на ноге. Если посмотреть внимательнее на структуру сложной ткани, например конечности или почки, мы увидим, что она состоит из разных более простых тканей и клеток. Так, нога состоит из кожи, мышц, костей, нервов и кровеносных сосудов, и чтобы она развивалась правильно, нужно координировать между собой множество процессов, возможно, с местными системами связи между отдельными тканями. Несрабатывание всего лишь одного компонента может привести к катастрофе. Талидомид, ранее продававшийся без рецепта, широко использовался для купирования тошноты при беременности в 1950–60-х годах. Несколько лет спустя около 10 тысяч детей родились с серьезными нарушениями в формировании конечностей — с так называемой фокомелией. Причиной трагедии с талидомидом было нарушение развития кровеносных сосудов в зачатках будущих конечностей.
Ко времени публикации работы Бреннера в начале 1970-х мы еще мало знали о том, как гены регулируют развитие человека. Конечно, мы знали, что мозг человека при рождении относительно неразвит, продолжает расти и развиваться еще два-три года жизни младенца. Мы знали об изменении желез в период полового созревания, однако не знали, как гены это регулируют. Теперь известно, что половое созревание включает в себя очень глубокие изменения на генетическом и эпигенетическом уровнях: фактически мы возвращаемся к бурному водовороту развития эмбриона. Сейчас генетики считают его главной и самой важной фазой постэмбрионального развития. В том, как гены регулируют изменения в пубертатный период, много похожего на удивительную трансформацию гусеницы в бабочку, поэтому некоторые ученые считают это вариацией метаморфоза.
В препубертатный период и мальчики и девочки имеют примерно одинаковые пропорции мышечной, костной и жировой массы. Однако после запуска мощных эпигенетических и генетических механизмов тело ребенка претерпевает значительные изменения, включая бурный рост и изменения в пропорциях мышечной и жировой массы, которые отличаются у обоих полов. К концу полового созревания у мужчин в полтора раза больше костной и мышечной массы, чем у женщин, а у женщин в два раза больше жировой ткани, чем у мужчин. Эти очевидные физические изменения сопровождаются также изменениями в клетках и тканях половых и относящихся к ним органов, например грудных желез у женщин и простаты у мужчин. Процесс полового развития запускается гормоном, сигнализирующим о необходимости производить гонадотропин (GnRH), который вырабатывается гипоталамусом. Это, в свою очередь, стимулирует питуитарную железу. Она увеличивает выработку половых гормонов гонадотропинов, которые через кровеносную систему попадают в яичники или яички, где повышают уровень соответственно эстрогенов или андрогенов. Иногда подростки бывают капризными или нервными. Это и неудивительно, ведь в их теле происходят гормональные изменения невероятного масштаба. Мы только недавно узнали, что в пубертатный период под влиянием гормонов происходит своего рода перезапись нейронных цепей мозга и поведение меняется на взрослое.
Некоторые психологи считают, что индивидуальные различия в поведении зрелых особей и сопряженные с полом психические нарушения связаны с тем, как гормоны, влияющие на половое созревание, действуют на перезапись нейронных сетей в период взросления.
К 1990-м годам у биологов уже было базовое понимание того, как работают гены. Они знали, что гены кодируют несколько видов белков. Энзимы играют важную роль в наших внутренних химических процессах, из других белков строятся мембраны клеток, ткани кожи, глаз, волос и ногтей. Генетики узнали, где в 46 хромосомах человека располагаются сотни определенных генов. Они накопили ключевые знания о генетической регуляции. Появилось понимание того, что существуют дополнительные системы регуляции, которые не управляются ДНК. Становилось все очевиднее, что вне ДНК также есть системы, которые могут регулировать ее экспрессию, — системы, обладающие способностью изменяться на протяжении жизни индивидуума и получения им определенного опыта. Со временем станет понятно, что они — часть эпигенетической регуляционной системы, про которую я расскажу в следующей главе.
В 1953 году произошло революционное открытие — открытие структуры ДНК, которое дало начало развитию новой науки — молекулярной биологии, пересекающейся с медициной и биологией. Через несколько десятилетий мы узнали о запутанной системе человеческой наследственности, развитии эмбрионов и работе клеток, тканей и органов на биохимическом уровне больше, чем за все предыдущее время. Все больше фактов указывало на то, что в человеческий геноме есть вирусы: в нем присутствовали вирусные последовательности генов и даже целые геномы вирусов. Одни генетики считали, что это просто мусор, оставшийся от давних инфекций, другие полагали, что эти куски генома на что-то активно влияют.
Тысячи генов были открыты в процессе кропотливых экспериментов с мутациями животных. В человеческом организме содержится от 80 до 120 тысяч белков. Предположим, что один ген кодирует один белок, тогда должно быть столько же генов. А это значит, что существует огромное количество еще неизвестных нам генов. Теперь генетики хотели знать не только последовательности отдельных генов. Следующим шагом должно было стать изучение структуры каждой хромосомы, а кроме этого — исследование всего генома. Только полностью разделив геном на секвенции, мы поймем, что лежит в основе нашего существования, — перефразируя Броновского, какие «генетические подарки» выделяют нас среди других животных. Все, что нам было нужно для совершения этого гигантского шага, — желание правительства профинансировать исследования, а также более эффективные техники чтения последовательностей ДНК.
В середине 1970-х в Кембридже британский биохимик Фред Сэнджер, который в то время уже был нобелевским лауреатом по химии за работу над структурой белков, впервые предложил новые техники автоматического секвенирования ДНК. Их потом так и назвали: секвенирование Сэнджера. Он использовал эти техники, чтобы впервые расшифровать геном организма полностью. Это был тот же организм, который я изучал, будучи и студентом, и доктором наук, — вирус-бактериофаг ФХ174. Это открытие принесло ему вторую Нобелевскую премию, и, таким образом, он стал единственным нобелевским лауреатом с двумя премиями по химии. Методология Сэнджера стала стандартной техникой секвенирования генома в лабораториях по всему миру и позволила изучить структуру десятков и тысяч генов. Тем не менее, по признанию самого Сэнджера, метод был медленным и требовал кропотливого труда. Ученым приходилось считывать показания с распечаток и тратить огромное количество радиоактивного фосфора, который использовался для того, чтобы помечать нуклеотиды. В середине 1980-х Лерой Худ и его коллеги в Калифорнийском технологическом институте придумали более быстрый и простой метод, который помечал нуклеотиды четырьмя видами флуоресцентной краски, которую можно было считывать лазерным аппаратом. Другие техники для репликации последовательностей генов использовали культуру бактерий E. coli — небольшие количества ДНК можно было размножить, чтобы затем проще секвенировать. Итак, геном можно было разделить на более мелкие последовательности, а их размножить с помощью бактерий и автоматически секвенировать специальными аппаратами.
В 1984 году политическая составляющая вопроса достигла максимума: Министерство энергетики США заявило, что полностью расшифрует весь человеческий геном — 6,6 миллиарда нуклеотидных последовательностей. Комитет назвал проект The Human Genome Project (проект «Геном человека»).
Этот проект ошеломлял, но был фантастически амбициозным, вдохновляющим и волнующим. К 1987 году заявку полностью обсудили и ясно сформулировали цель: «Главная цель данной инициативы — понять устройство человеческого генома. Это знание необходимо для дальнейшего прогресса в медицине и других дисциплинах здравоохранения точно так же, как знание человеческой анатомии было необходимо для достижения нынешнего положения дел в медицине».
Проект начался в Америке и затем распространился на многие другие страны, превратившись в самый значительный проект по биологии в истории науки. В нем участвовало огромное количество разных ученых и научных групп. Это означало, что неизбежно возникнут разногласия относительно способов ведения исследования. Некоторые считали, что нужно сосредоточиться на одной хромосоме в отдельный момент времени, но это растянуло бы процесс на десять или даже пятнадцать лет. Некоторые политики не осознавали всей важности проекта и неодобрительно посматривали на его возможную стоимость, которая в таком случае поднималась до миллиардов долларов. Некоторых деморализовала перспектива настолько гигантского шага в неизвестность.
Но к началу 1990-х жребий был брошен. В 1990 году две главные финансирующие организации — Министерство энергетики США и Национальный центр исследования здоровья — объединили свои усилия. В том же году Джеймс Дьюи Уотсон, участвовавший в открытии структуры ДНК, был назначен управляющим программы Национального центра исследования здоровья. Теперь проект поддерживала репутация Уотсона, Национальная академия наук США, многие влиятельные молекулярные биологи и фонды от правительства и других официальных спонсоров в размере около 2,6 миллиарда долларов США. Уотсон немедленно предложил сделать проект международным, заручившись помощью Великобритании, Германии и Франции. Свою лепту внесли многие другие европейские центры, в том числе Япония, Китай и Австралия. Фонд Wellcome Trust в Великобритании стал основной благотворительной организацией наряду с правительственными органами США.
Итак, все было организовано, скоординировано, профинансировано и готово к запуску. В ход пошли компьютеры и автоматы для расшифровки генетического кода. В целом предполагалось, что для завершения проекта понадобится около пятнадцати лет, но эта цифра изменилась с неожиданным появлением конкурента: американской коммерческой организации Celera Genomics. Необходимость соревноваться с частной коммерческой организацией внесла суматоху в некоторые очень тщательно продуманные планы.
8. Первые наброски человеческого генома
Я знаю, что это исторический момент. Это самая важная научная инициатива, которую когда-либо предпринимало человечество… Это навсегда изменит биологию.
Фрэнсис Коллинз
В субботу 12 февраля 2001 года две соперничающие организации — Celera Genomics и Human Genome Project (при поддержке множества правительственных и благотворительных организаций в США, Великобритании, Германии, Японии и Франции) — одновременно объявили о завершении первого этапа полной расшифровки генома человека. Это вызвало волну восторгов в мировых СМИ. Президент США Билл Клинтон начал хвалебную оду, которую подхватил премьер-министр Великобритании Тони Блэр, а вслед за ними национальные лидеры и ведущие ученые каждой из стран объявили о начале новой эпохи знания и научных исследований. Роджер Хайфилд, научный редактор The Daily Telegraph, выразился прямо: «Ученые-соперники открывают книгу жизни». По словам Энди Коглана и Майкла Ле Пейджа, корреспондентов New Scientist, геном скоро будут учить в школах как таблицу Менделеева. Не было никаких сомнений, что это открытие знаменует собой начало нового этапа в генетике и является огромным шагом вперед и логическим продолжением открытий в области ДНК. И так же как с ДНК, вновь начались конфликты между двумя соперничающими группами.
Директор Human Genome Project Уотсон сделал проект международным, заручившись таким образом поддержкой, благодарностью и преданностью многих ученых по всему миру. Кроме того, он выделил небольшую часть средств, чтобы донести социологические, религиозные и этические идеи, касающиеся проекта, до интеллектуалов и политиков. В академических кругах многие видели в Celera Genomics наглых выскочек, ведомых предприимчивым ученым Джоном Крейгом Вентером. Но следует отдать ему должное — Вентер благодаря проницательности и обаянию смог преуспеть в длинном списке удивительных научных прорывов, включая новые области генетических исследований. Как Уотсон, Крик и Уилкинс, Вентер отмечал, что его в свое время вдохновила книга Шрёдингера.
Вентер развивался как ученый, работая в Национальном институте здоровья США рядом с кабинетом Маршалла Ниренберга, который внес вклад в открытие гистонового кода. В 1992 году Вентер, которому было сложно вынести неторопливость прогресса в его окружении, организовал собственную коммерческую лабораторию — Институт генетических исследований (The Institute for Genomic Research — TIGR). Теперь он мог совмещать автоматизированное секвенирование с изобретенным его исследовательской группой новым подходом — «пулеметной лентой», в котором длинные генетические последовательности, найденные в живых организмах, можно было разбивать на более мелкие части. Разделяя геном на все более мелкие части, ученые находили повторяющиеся фрагменты, которые в дальнейшем можно было использовать для воссоздания целой нуклеотидной последовательности микроба или, скажем, человеческой хромосомы.
«Техника пулеметной ленты» могла ускорить работу над проектом, однако соперники Вентера заклеймили метод как потенциально неточный. Тем не менее в 1995 году Вентер опубликовал статью о своей первой победе: впервые был полностью расшифрован геном живого организма — бактерии Haemophilus influenza, вызывающей заболевания дыхательных путей и другие инфекции. После этого расшифровали геном бактерии, вызывающей язву, — Helicobacter pylori, в марте 2000 года наконец расшифровали геном насекомого — известной по экспериментам Томаса Ханта Моргана фруктовой мушки. И скептически настроенные научные круги были, так сказать, поставлены на место.
В 1998 году Вентер скооперировался с Перкином Элмером, произошло слияние корпорации Перкина Элмера и Института генетических исследований, давшее начало новой компании — Celera Genomics. Слово celera на латыни означает «торопись» и подчеркивает важность скорости исследований. Вентер дал понять, что цель компании не биотехнологии сами по себе, а предоставление информации. По словам Джеймса Шрива, который описывал это удивительное время, рыночный продукт компании Celera Genetics — огромная генетическая база, основанная на геномной последовательности человека. Таким образом, для новой компании Вентера самим смыслом существования было соперничество с получающей государственные дотации организацией Human Genome Project.
В 1992 году Джеймс Уотсон серьезно разошелся во мнениях с Бернардиной Хили, которая на тот момент отвечала за Human Genome Project. Хили была согласна с директивой Конгресса о том, что открытия организации должны поддерживаться патентами. Уотсон горячо возражал и высмеивал Хили до тех пор, пока она не уволила его, «устав от оскорбительных замечаний». В том же году Уотсона заменил более дипломатичный Фрэнсис Коллинз. Организация Wellcome Trust в Великобритании начала с того, что учредила Sanger Centre — огромную лабораторию по расшифровке генома, расположенную недалеко от Кембриджа, которая вместе с Национальным центром исследования здоровья работала над Human Genome Project.
Амбициозная компания Celera запустила 200 мощнейших автоматов по расшифровке кода, совмещая скорость промышленного производства с «методом пулеметной ленты» Вентера, разделяя 46 хромосом, состоящих из 6,4 миллиарда белков, на маленькие кусочки. Эти кусочки расшифровывались в банках секвенторов, после чего из них можно было собрать целый геном. Подход Celera, как это видел Вентер, должен был сократить время на завершение проекта с десяти лет, заявленных его соперниками, до семи. В то же время Коллинз при поддержке многих ученых, работавших в Human Genome Project, оспорил мнение, что такой подход может привести к недопустимым неточностям. Теперь ученых волновало другое: что коммерческий склад ума Вентера, несмотря на его заверения, приведет к ограничению доступа к данным генома и, таким образом, ограничит последующие исследования. Некоторые ученые даже боялись, что Celera может попытаться присвоить себе авторские права на человеческий геном.
Соперники все еще обменивались язвительными колкостями, просачивающимися в СМИ, когда в 2001-м обе компании заявили об открытиях: Celera опубликовала результаты в ведущем американском журнале Science, а Genome Project воспользовалась его британским аналогом — Nature. В результате у нас есть два варианта расшифровки генома. В Celera ясно заявили, что предоставят доступ к данным только ученым, однако на коммерческое использование это распространяться не будет. В конце концов, они потратили сотни миллионов долларов на эти исследования и теперь, будучи коммерческой компанией, должны вернуть затраченные средства и получить с проекта какую-то прибыль. А вот другая организация, находившаяся на государственном финансировании, заявила, что все их открытия полностью доступны кому бы то ни было.
Возможно, некоторых читателей возмутит, что в святыню человеческого генома вторгаются коммерческие интересы. Однако на самом деле противостояние между коммерческими интересами и интересами общественности в медицине и биологии случается нередко. Иногда сложно провести четкую линию между этими подходами, но на практике исследования наиболее важных областей, например прививок, антибиотиков, лекарств от рака, всегда включают сложный баланс между двумя противоположностями.
Здесь научный прорыв шел двумя путями одновременно, и бурных оваций заслуживают обе стороны. Благодаря двум публикациям в журналах Nature и Science (15 и 16 февраля соответственно) мир науки и человечество в целом узнали о невероятно сложных молекулярных структурах, которые лежат в основе наших генов. Расшифровка генома обещала эпохальные изменения в будущем биологии и медицины — в общем-то, в будущем человечества — и вела за собой головокружительные и очень неожиданные открытия. Газеты и журналы писали: расшифровав карту генома, мы познаем самую суть жизни. Но на деле эта карта оказалась сплошной terra incognita.
Когда мы говорим о прорыве в научных открытиях, мы часто преувеличиваем. Однако здесь действительно происходили прорыв за прорывом, принесшие научному миру три огромных сюрприза, каждый из которых сам по себе был новым вызовом, новой загадкой. Картина станет более ясной, если мы посмотрим на диаграмму.
Соотношение различных генетических элементов в геноме
Читать бесплатно другие книги:
