Первая молекула: Как РНК раскрывает главные тайны биологии

Глава 2

Сплеснение жизни

Трудно представить более идиллическое место для научного симпозиума, чем лаборатория Колд-Спринг-Харбор. Она расположена на острове Лонг-Айленд и больше похожа на летний лагерь, чем на исследовательский центр: среди холмов, которые весной украшаются цветущими магнолиями, азалиями и кизилом, стоят дощатые домики, а на ветру покачиваются парусные лодки. Лаборатория была основана в 1890 г. и всегда имела репутацию серьезного, хоть и несколько сонного научного учреждения. Именно здесь начиная с 1940-х гг. генетик Барбара Мак-Клинток в уединении проводила свои кропотливые эксперименты, отслеживая вариации окраски кукурузных зерен, чтобы определить, как функционируют в клетках гены и хромосомы. Ее открытие «прыгающих генов» в итоге было удостоено Нобелевской премии.

Сонливость быстро слетела с лаборатории Колд-Спринг-Харбор, когда в 1968 г. ее директором стал Джим Уотсон. Он был столь проницательным, амбициозным и напористым, что быстро превратил лабораторию в мощный центр, который выдавал одно крупное научное открытие за другим. В тот период лаборатория стала знаменита проводившимися там конференциями, на которых молекулярные биологи делились своими недавними находками. Она была и остается местом, где можно сразу узнать о новейших достижениях, без многомесячного ожидания публикации, и наладить новое сотрудничество.

В июне 1977 г. темой симпозиума в Колд-Спринг-Харбор стала структура и функции хромосом у высших организмов. В то время я был научным сотрудником в Массачусетском технологическом институте, работал именно в данной области и очень обрадовался возможности посетить симпозиум. До сих пор помню сильнейшее восхищение, когда две группы исследователей, одной из которых руководил мой сосед по МТИ Фил Шарп, а другой – Рич Робертс из Колд-Спринг-Харбор, вышли выступать и рассказали о решении загадки, над которой ученые бились более десяти лет.

Что же это была за великая тайна? После того как на примере кишечной палочки и ее фагов была выявлена связь между ДНК, мРНК и белком, многие ученые переключились на исследование более сложных организмов, таких как растения, животные и особенно человек. Имелись все основания ожидать, что фундаментальные принципы хранения и передачи биологической информации будут неизменны у всех форм жизни. Как однажды сказал нобелевский лауреат Жак Моно, «то, что верно для кишечной палочки, должно быть верно и для слона»[39]. Но когда биохимики изучили человеческие клетки, выращенные в чашках Петри в термостате, они пришли в замешательство. Предполагалось, что мРНК сначала обнаружится в клеточном ядре, где находился ее хромосомный прародитель – ДНК. И в самом деле, РНК нашлась в ядре, но она казалась слишком большой, чтобы быть готовой мРНК, – в среднем в 10 раз больше[40], чем требуется для кодирования белка. Это казалось странным, ведь мРНК, которая поступала из ядра в цитоплазму, была как раз нужного размера, чтобы кодировать белок.

Действительно ли эта огромная РНК, найденная в ядре клетки, должна была превратиться в мРНК? Если да, то что делали все эти лишние нуклеотиды в ядерной РНК, коль скоро они не кодировали белок? В тот день в Колд-Спринг-Харбор ответ был обнародован, и он стал первым сигналом к пониманию того, что РНК способна на большее, чем просто передавать информацию от ДНК.

Я работал через дорогу от лаборатории Фила Шарпа в МТИ, но это еще не означало, что я мог непосредственно наблюдать открытие Фила. Иногда я пересекал Эймс-стрит и заходил в его лабораторию в Онкологическом центре, чтобы посоветоваться насчет проблем с экспериментами. Там работала моя приятельница Клэр Мур, и они с Филом всегда охотно обсуждали мои исследования, но дружно отмалчивались по поводу своих собственных.

Это было довольно странно. Ученые, как правило, не могут удержаться, чтобы не рассказать о своей работе, о потрясающем открытии, которое может случиться в ближайшем будущем. Однако Фил, Клэр и постдокторант Сью Берже знали, что нашли что-то особенное, и не хотели поднимать шум. И только год спустя, сидя в аудитории Колд-Спринг-Харбор, я узнал, как Фил и Рич Робертс решили загадку[41] про неподходящий размер человеческой мРНК.

Ключ к разгадке был получен благодаря аденовирусу – ДНК-вирусу, вызывающему у людей обычную простуду. Подобно тому как бактериофаги помогли первым молекулярным биологам понять принципы работы генов у бактерий, человеческие вирусы подсказали подход к изучению молекулярных особенностей биологии человека. В конце концов, и фаги, и человеческие вирусы обманом заставляют клетки своих хозяев обеспечить инфекционный цикл вируса за счет ресурсов клетки, поэтому паразиты должны использовать те же фундаментальные биологические механизмы, что используют их хозяева. Изучение вирусов имеет и практические преимущества: зараженные клетки содержат множество копий вирусной ДНК и соответствующую полученную РНК; таким образом, исследователи получают много материала для работы.

Обе группы, из МТИ и Колд-Спринг-Харбор, сначала составили карты расположения разных генов в хромосоме аденовируса. Они не ожидали, что это приведет к какому-то крупному открытию, картирование требовалось, просто чтобы получить необходимую информацию для дальнейшей работы – предстояло выяснять, как экспрессируются вирусные гены. Сравнивая вирусную ДНК с ее мРНК-копией из цитоплазмы клетки, исследователи ожидали, что ДНК и мРНК будут соответствовать друг другу в пределах всей последовательности. Разумеется, у бактерий было бы именно так.

Однако обнаружилось, что длинные внутренние участки мРНК, которые должны были бы присутствовать, если бы мРНК была непосредственной копией ДНК, просто исчезли. Оказалось, что мРНК собиралась из кусочков, некоторые фрагменты из середины были вырезаны, а концевые участки последовательности соединены друг с другом. Исследователям пришлось признать, что кодирующие области генов аденовируса не были непрерывными, а состояли из фрагментов, разделенных участками некодирующей ДНК, которые мы теперь называем интронами.

Слушатели этого доклада в Колд-Спринг-Харбор были ошеломлены. Сам Джим Уотсон, присутствовавший в тот день в аудитории, называл это открытие «бомбой». Считалось, что матричная РНК – непрерывная копия своего гена. Это казалось единственным эффективным вариантом, и сложно было понять, почему белок-кодирующие участки ДНК могут быть разделены интронами и как эти интроны могут вырезаться. Являлись ли все эти сложные операции, в ходе которых фрагменты генетической информации попадали в ДНК, но исключались из мРНК, просто бессмысленной акробатикой, неким эволюционным танцем, никуда не приводящим? Или в процессе такого вырезания и соединения выполнялись какие-то важные задачи? Какое-то время мир молекулярной биологии сосредоточился на этом вопросе, изо всех сил пытаясь найти ответ.

Большинство белок-кодирующих генов у человека и многих других эукариотов прерываются участками некодирующей ДНК, называемыми интронами. Каждый интрон (на схеме он светло-серый) транскрибируется как часть РНК-предшественника (в середине), который потом подвергается сплайсингу до функциональной мРНК (внизу)

Вскоре выяснилось, что все обстоит еще сложнее. Ученые начали понимать, что интроны встречаются не только у вирусов, а характерны и для эукариотов – организмов, хранящих свою ДНК в ядре. Как только было объявлено о существовании интронов у аденовирусов, многие ученые в лабораториях по всему миру поняли, что в генах, которые они изучают, тоже вставлены интроны. Например, уже в 1977 г. биологи из Гарварда Ширли Тилгман[42] и Фил Ледер обнаружили, что кодирующая последовательность человеческого гена белка крови гемоглобина разделена двумя интронами. И интроны, и кодирующие участки копировались с гена, так что в ядре клетки образовывалась длинная молекула РНК, но затем, прежде чем мРНК попадала в рибосомы для образования белка, мать-природа доставала секатор[43]

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

1

Значение выделенных курсивом при первом упоминании ключевых понятий разъясняется в Словаре терминов. – Прим. ред.

2

Janet M. Sasso, Barbara J. B. Ambrose, Rumiana Tenchov, Ruchira S. Datta, Matthew T. Basel, Robert K. DeLong, and Qiongqiong Angela Zhou, "The Progress and Promise of RNA Medicine – An Arsenal of Targeted Treatments," Journal of Medical Chemistry 65, 6975–7015, 2022.

3

Lin Ning, Mujiexin Liu, Yushu Gou, Yue Yang, Bifang He, and Jian Huang, "Development and Application of Ribonucleic Therapy Strategies Against COVID–19," International Journal of Biological Sciences 18, 5070–85, 2022.

4

Cheryl Barton, "Renewed Interest in RNA-Targeted Therapies – Delivery Remains the Achilles Heel," Pharma Letter, January 31, 2023, https://www.thepharmaletter.com/article/renewed-interest-in-rna-targeted-therapies-delivery-remains-the-achilles-heel.

5

Тем, кто хочет получить научный пошаговый отчет об исследованиях РНК, я рекомендую RNA: Life's Indispensable Molecule by Jim Darnell (Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2011) and RNA: The Epicenter of Genetic Information by John Mattick and Paulo Amaral (Boca Raton, FL: CRC Press, 2022).

6

Paul Halpern, Flashes of Creation: George Gamow, Fred Hoyle, and the Great Big Bang Debate (New York: Basic Books, 2021), 2.

7

Karl Hubauer, George Gamow, 1904–1968: A Biographical Memoir (Washington, DC: National Academy of Sciences, 2009), 9.

8

James Watson, Genes, Girls, and Gamow (Oxford: Oxford University Press, 2003), xxiv.

9

Буквами А, Т, Г и Ц обозначают как сами основания, так и нуклеозиды. Нуклеозид – соединение азотистого основания и дезоксирибозы. Точные химические названия нуклеозидов – аденозин, тимидин, гуанозин и цитидин. И хотя биохимические различия оснований, нуклеозидов и нуклеотидов огромны, их информационное значение идентично. – Здесь и далее примечания автора, если не указано иное.

10

Hubauer, George Gamow, 25.

11

Watson, Genes, Girls, and Gamow, 24.

12

F. Sanger and H. Tuppy, "The Amino-Acid Sequence in the Phenylalanyl Chain of Insulin. 1. The Identification of Lower Peptides from Partial Hydrolysates," Biochemical Journal 49, 463–81, 1951.

13

Беседа автора с Дэном Рохсаром в Боулдере (штат Колорадо), 4 октября 2023 г.

14

Jean Brachet, "La détection histo chimique et le microdosage des acides pentose-nucléiques," Enzymologia 10, 87–96, 1942; Torbjörn Caspersson, "The Relation Between Nucleic Acid and Protein Synthesis," Symposia of the Society for Experimental Biology 1, 129–51, 1947.

15

James Darnell, RNA: Life's Indispensable Molecule (Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2011), 9–10.

16

Oswald T. Avery, Colin M. MacLeod, and Maclyn McCarty, "Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types: Induction of Transformation by a Desoxyribonucleic Acid Fraction Isolated from Pneumococcus Type III," Journal of Experimental Medicine 79, 137–58, 1944.

17

J. D. Watson and F. H. C. Crick, "Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid," Nature 171, 737–38, 1953.

18

Работавший в Париже Андре Буавен еще в 1947 г. стал первым, кто предположил, что РНК синтезируется под руководством ДНК, а затем контролирует производство белков в цитоплазме. См.: Matthew Cobb, "Who Discovered Messenger RNA?," Current Biology 25, R523–R548, 2015.

19

Francis Crick, "The Genetic Code," в What Mad Pursuit: A Personal View of Scientific Discovery (New York: Basic Books, 1990), 89–101.

20

George Gamow, My World Line: An Informal Biography (New York: Viking, 1970), 148.

21

"50th Anniversary of Good Friday Meeting (April 15, 1960)," Cold Spring Harbor Laboratory Press Email News, дата обращения: 29 августа 2023 г., https://www.cshlpress.com/email_news/goodfriday.html.

22

Kenneth Volkin and Larry Astrachan, "Phosphorus Incorporation in Escherichia coli Ribonucleic Acid After Infection with Bacteriophage T2," Virology 2, 149–61, 1956.

23

Sydney Brenner, François Jacob, and Matthew Meselson, "An Unstable Intermediate Carrying Information from Genes to Ribosomes for Protein Synthesis," Nature 190, 576–80, 1961. В то же самое время поиском мРНК занимался и Джим Уотсон со своей исследовательской группой в Гарварде. Их открытие было опубликовано одновременно с работой Бреннера и его соавторов в том же номере журнала: François Gros, H. Hiatt, Walter Gilbert, C. G. Kurland, R. W. Risebrough, and J. D. Watson, "Unstable Ribonucleic Acid Revealed by Pulse Labelling of Escherichia coli," Nature 190, 581–85, 1961.

24

Хромосомы состоят из молекул ДНК, упакованных с помощью белков. Сперматозоиды и яйцеклетки человека содержат один набор из 23 хромосом, а клетки тела – два набора: один от мамы, другой от папы.

25

Надо отметить, что нуклеотиды, расположенные перед старт-кодоном и после стоп-кодона, могут не быть частями других предложений (или генов), а выполнять регуляторные функции.

26

Francis H. C. Crick, Leslie Barnett, Sydney Brenner, and Richard Watts-Tobin, "General Nature of the Genetic Code for Proteins," Nature 192, 1227–32, 1961.

27

Ныне Национальный институт артрита, скелетно-мышечных и кожных заболеваний. – Прим. ред.

28

Elizabeth B. Keller, Paul Zamecnik, and Robert B. Loftfield, "The Role of Microsomes in the Incorporation of Amino Acids into Proteins," Journal of Histochemistry and Cytochemistry 2, 378–86, 1954; John W. Littlefield, Elizabeth B. Keller, Jerome Gross, and Paul C. Zamecnik, "Studies of Cytoplasmic Ribonucleoprotein Particles from the Liver of the Rat," Journal of Biological Chemistry 217, 111–24, 1955.

29

В этих экспериментах были созданы условия, при которых рибосомы не нуждались в стартовом сигнале (АУГ в нашей схеме), а могли начать процесс с произвольного места на цепочке мРНК.

30

Marshall W. Nirenberg and J. Heinrich Matthaei, "The Dependence of Cell-Free Protein Synthesis in E. coli upon Naturally Occurring or Synthetic Polyribonucleotides," Proceedings of the National Academy of Sciences USA 47, 1588–602, 1961. Важно отметить, что в статье аккуратно указывается, что поли(У) кодирует полифенилаланин без уточнения, какой именно кодон: У, УУ, УУУ или другой – кодирует эту аминокислоту.

31

Я впервые встретил Корану в Массачусетском технологическом институте, где оказался после защиты диссертации. Я был биологом и работал в корпусе 16, а он, уже лауреат Нобелевской премии по химии, в корпусе 18. Из-за суровых бостонских зим многие корпуса были соединены между собой, так что я мог дойти до химического отдела, не кутаясь в теплую одежду. Корана показался мне скромным, он был полон заразительного энтузиазма в отношении своих исследований и ничуть не рассердился из-за того, что какой-то постдок родом из Айовы подошел к нему познакомиться.

32

Этим ферментом была РНК-полимераза кишечной палочки. РНК-полимераза имеет такое название, потому что она катализирует реакцию соединений мономеров (А, Г, Ц и У) в полимер РНК. Последовательность мономеров зависит от матрицы ДНК. Существует также и ДНК-полимераза, которая выполняет схожую реакцию, но с дезоксинуклеотидами: А, Г, Ц и Т.

33

S. Nishimura, D. S. Jones, E. Ohtsuka, H. Hayatsu, T. M. Jacob, and H. G. Khorana, "Studies on Polynucleotides: XLVII. The In Vitro Synthesis of Homopeptides as Directed by a Ribopolynucleotide Containing a Repeating Trinucleotide Sequence. New Codon Sequences for Lysine, Glutamic Acid and Arginine," Journal of Molecular Biology 13, 283–301, 1965.

34

Третьим лауреатом Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1968 г. был Роберт Холли, который описал структуру транспортной РНК для аланина, участвующей в синтезе белка на основе информации в ДНК.

35

Gamow, My World Line, 148.

36

Matthew Cobb, "60 Years Ago, Francis Crick Changed the Logic of Biology," PLOS Biology 15, e2003243, 2017.

37

Francis H. C. Crick, "On Protein Synthesis," Symposia of the Society for Experimental Biology 12, 138–63, 1958.

38

Mahlon B. Hoagland, Mary Louise Stephenson, Jesse F. Scott, Liselotte I. Hecht, and Paul C. Zamecnik, "A Soluble Ribonucleic Acid Intermediate in Protein Synthesis," Journal of Biological Chemistry 231, 241–57, 1958.

39

Herbert C. Friedmann, "From 'Butyribacterium' to 'E. coli': An Essay on Unity in Biochemistry," Perspectives in Biology and Medicine 47, 47–66, 2004.

40

James Darnell, RNA: Life's Indispensable Molecule (Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2011), 168–69.

41

Susan M. Berget, Claire Moore, and Phillip A. Sharp, "Spliced Segments at the 5' Terminus of Adenovirus 2 Late mRNA," Proceedings of the National Academy of Sciences USA 74, 3171–75, 1977; Louise T. Chow, Richard E. Gelinas, Thomas R. Broker, and Richard J. Roberts, "An Amazing Sequence Arrangement at the 5' Ends of Adenovirus 2 Messenger RNA," Cell 12, 1–8, 1977.

42

Та самая Ширли Тилгман, которая благодаря своим многочисленным талантам позднее стала президентом Принстонского университета.

43

David C. Tiemeier, Shirley M. Tilghman, Fred I. Polsky, Jon G. Seidman, Aya Leder, Marshall H. Edgell, and Philip Leder, "A Comparison of Two Cloned Mouse β-Globin Genes and Their Surrounding and Intervening Sequences," Cell 14, 237–45, 1978.