Сегодня понятия "генетика" и "ДНК" в нашем сознании неразделимы. И наверняка многие вспомнят имена Уотсона и Крика при упоминании спиральной структуры этой основы нашей наследственности. Но не все знают, что сама была открыта совсем не ими, и не всегда она была главной молекулой жизни. Кто открыл ДНК, каково ее значение и другие аспекты - тема данной статьи.
Холодный замок
В лаборатории, где работал Фридрих Мишер, было мало света и очень холодно. Ведь она была оборудована в замке Хоэтюбинген герцога Вюртембергского Именно низкая температура стала удачным стечением обстоятельств, позволивших свершиться в 1869 году открытию, названному впоследствии одним из самых крупных событий XIX-XX века в науке генетике. Сегодня в этом замке работает музейная экспозиция, а та самая кухня называется «Колыбель биохимии». Кто открыл ДНК и что этому предшествовало?
Случайный биохимик
Иоганн Фридрих Мишер (1844-1895) родился в семье потомственных врачей в швейцарском городе Базель. Там же 23-летний Фридрих закончил медицинский факультет университета. Но, вопреки ожиданиям семьи, врачом он не стал. Его интересовали исключительно живые клетки и процессы, которые в них происходят. И молодой ученый оказался в той самой лаборатории в компании сорока таких же новаторов, которые под началом основателя биохимии Феликса Хоппе-Зейлера (1825-1895) изучали клетки крови человека. Это была одна из первых, в то время единственная в Европе, биохимическая лаборатория, которую основал в 1818 году выдающийся химик, давший название гемоглобину и карбоксигемоглобину крови.
Странный осадок
История открытия ДНК весьма любопытна. Молодому Фридриху Мишеру досталось изучать лейкоциты (белые клетки крови). Из местной больницы ему привозили бинты в крови и гное, которые он промывал и исследовал белки лейкоцитов. Именно тогда он и заметил, что в пробирках после выделения белков всегда остается какой-то белый осадок в виде хлопьев. Изучая свою находку под микроскопом, Мишер заметил, что после промывания от лейкоцитов оставались только ядра. Вывод напрашивался сам собой: вещество находится в ядре. Вот кто открыл ДНК, только назвал он вещество нуклеином (от латинского слова ядро - nucleus).
Пытливый исследователь
Ученый менял способы промывки лейкоцитов, реагенты и способы очистки. Так выяснилось, что это вещество - не белок и не жир. Биохимия только зарождалась, химический анализ был делом непростым, долгим и очень трудоемким. Но Фридрих Мишер провел его и выяснил, что составляющие ДНК - это углерод, кислород и азот. Но что более странно - в веществе присутствовал в больших концентрациях фосфор. На тот момент химия не знала соединений подобного состава, и Мишер понял, что он открыл что-то особенное. Гоппе-Зейлер (наставник) поддержал его, и в 1871 году труды были опубликованы и сопровождались рецензией уважаемого химика того времени. Дальнейшее изучение показало кислотные свойства вещества, и именно тогда оно стало называться нуклеиновой кислотой. Хотя, по правде, первооткрывателю это не нравилось, и в своих работах он продолжал называть ДНК нуклеином.
Рыбалка на благо науки
Возвратившись в Базель, и заняв пост заведующего кафедры физиологии университета, в котором учился, Мишер продолжил научные изыскания. Объектом для изучения ДНК он выбрал молоки лосося. Кстати, и сегодня молоки лососевых используются для получения ДНК в больших количествах. В Рейне в те времена лосось водился в избытке, и Фридрих совмещал приятное времяпровождение с удочкой с работой по добыче материала для исследований. В своих работах о молоках (1874 г.) он и не предполагал роли ДНК в наследовании признаков, а связывал это вещество с процессами оплодотворения. От изучения молок лососевых он перешел к изучению их физиологии.
Позже ученый приступил к исследованию вопросов здорового рациона для заключенных тюрем. Он даже написал поваренную книгу. Затем он основал институт анатомии и физиологии (Базель), внес вклад в изучение роли кровяных клеток в дыхании. А про его нуклеотид надолго забыли.
Крах протеиновой теории наследственности
В XIX веке в науке господствовала теория, что материальными носителями являются белки. О роли такой простой субстанции, как ДНК, в данном вопросе не догадывались. И только в 1944 году об открытии Мишера вспомнили. Другой медик, американский, Освальд Эвери (1877-1955) своими опытами показал генетическое значение ДНК. Опыты Эвери и его соавторов Колина Маклауда и Маклина Маккарти в Рокфеллеровском институте медицинских исследований (Нью-Йорк) наглядно доказали, что именно ДНК, а не белки, являются носителями генетической информации.
От тысячелетий к десяткам лет
Тысячелетия понадобились науке для понимания основы наследственности. Но для расшифровки молекулы ДНК, механизмов матричного синтеза и построения геномной карты понадобились всего лишь десятки лет. Опыты, которые начал Ф. Гриффит (1928), продолжили не только Эвери с соавторами. Молекулярная биология родилась в момент представления миру модели структуры ДНК - двойной закрученной спирали (1953). Имена авторов этой модели - Джеймс Уотсон и получившие Нобелевскую премию за вою модель структуры ДНК. Кто открыл само вещество и исследовал его, многие источники просто умалчивают.
Трагедии и судьбы
В истории открытия ДНК немало тайн, загадок и обиженных ученых. Например, Эрвин Чаргафф (1905-2002) до самой кончины считал, что Уотсон и Крик украли его Нобелевскую премию. И хотя он прославился своими или комплементарности нуклеотидов в цепочке ДНК), Уотсона и Крика он называл не иначе как шарлатанами. Еще одна тайна и трагедия связана с именем Розалин Франклин (1920-1958) - английского ученого-биолога. Именно ее работы по рентгеноструктурному анализу нуклеиновых кислот показал Уотсон Крику, когда их осенила идея о двойной спирали.
Подведем итог
Открытие дезоксирибонуклеиновой кислоты, ее состава и структуры не только дало толчок движению человеческой мысли. Эти открытия перевели научную теорию в область специфических экспериментов и практического применения. Сегодня мы расшифровали геном человека, нашли способы выявления наследственных патологических заболеваний плода в период внутриутробного развития, научились определять родство и виновников преступлений по ДНК-анализам. Получили возможность выращивать помидоры с генами холодоустойчивости лосося, разноцветные сосны, которые меняют цвет при взаимодействии с загрязняющими веществами, и (прото невозможно не упомянуть) вырастили светящихся поросят.
С открытием дезоксирибонуклеиновой кислоты мечты фантастов о бессмертии и модернизации человечества перестают быть сказкой, а переходят всего лишь в плоскость времени. А ведь все это случилось благодаря тому, что Иоганн Фридрих Мишер продолжал свою работу в лаборатории, несмотря на замерзшие руки.
25 апреля 1953 года в американском журнале Nature была опубликована статья Джеймса Уотсона и Френсиса Крика «Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты». Публикация занимала чуть больше одной странички, в ней был всего один очень простой рисунок. Так, 50 лет назад, впервые была предложена модель пространственной структуры ДНК.
Бесспорно, разгадка строения молекулы ДНК вызвала революцию в естествознании и повлекла за собой целый ряд новых открытий, без которых нельзя представить не только современную науку, но и современную жизнь в целом. За открытием Уотсона и Крика последовал взрыв генетических исследований. Знание структуры ДНК помогло понять процесс репликации (удвоения) ДНК и, таким образом, установить, как генетическая информация передается от поколения к поколению. Впоследствии был открыт генетический код, несущий информацию о первичной структуре белков — основных компонентов всех клеток. Разгадка устройства наследственного аппарата клетки послужила точкой отсчета в развитии новой науки — молекулярной биологии. Появление таких ее методов, как полимеразная цепная реакция, молекулярное клонирование, секвенирование было бы немыслимо без знания структуры ДНК.
Вне всякого сомнения, данное открытие послужило значительным импульсом для развития генетики, апогеем которого явилась научная программа «Геном человека». Уотсон стал первым руководителем этого проекта, в рамках которого была полностью расшифрована наследственная информация Homo sapiens. Знание генома человека в перспективе позволит раскрыть причину многих заболеваний, создать лекарства для, так называемой, генотерапии, направленные на исправление «больных генов» или замену «испорченных» генов на «здоровые».
За прошедшие 50 лет стало ясно, что работа Уотсона и Крика по изучению структуры ДНК изменила всю биологию и оказалась важнейшей для медицины. С трудом можно назвать ту область естественных наук, на развитие которой не повлияло их открытие. В 1962 году Джеймс Уотсон, Френсис Крик, вместе с Морисом Уилкинсом, специалистом по рентгеноструктурному анализу, получили Нобелевскую премию. Это, пожалуй, самое выдающееся событие в истории естествознания XX века.
Кстати, еще одним значимым событием этого года является юбилей одного из «отцов» двойной спирали, Джеймса Уотсона, ему исполняется 75 лет. Трудно поверить, что на момент выхода в свет той самой статьи в журнале Nature, перевернувшей весь мир, ему было всего 25 лет. Сейчас профессор Уотсон руководит лабораторией Cold Spring Harbor в Нью-Йорке.
Открытие ДНК
Более пятидесяти лет назад было сделано замечательное научное открытие. 25 апреля 1953 года была опубликована статья о том, как устроена самая загадочная молекула – молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты.
Сокращенно её называют ДНК. Эта молекула встречается во всех живых клетках всех живых организмов. Обнаружили ее ученые более ста лет назад. Но тогда никто не знал, как эта молекула устроена и какую роль играет в жизни живых существ.
Окончательно разгадать тайну удалось английскому физику Френсису Крику и американскому биологу Джеймсу Уотсону.
Их открытие было очень важным.
И не только для биологов, которые узнали наконец, как устроена молекула, управляющая всеми свойствами живого организма.
Одно из крупнейших открытий человечества было сделано так, что совершенно невозможно сказать, какой науке это открытие принадлежит, – так тесно слились в нем химия, физика и биология.
Этот сплав наук и есть самая яркая черта открытия Крика и Уотсона.
История открытия ДНК
Ученых давно интересовала тайна главного свойства всех живых организмов – размножение.
Почему дети – идет ли речь о людях, медведях, вирусах – похожи на своих родителей, бабушек и дедушек? Для того, чтобы открыть тайну, биологи исследовали самые разные организмы.
И ученые выяснили, что за сходство детей и родителей отвечают особые частицы живой клетки – хромосомы. Они похожи на маленькие палочки. Небольшие участки палочки-хромосомы назвали генами. Генов очень много, и каждый отвечает за какой-нибудь признак будущего организма.
Если говорить о человеке, то один ген определяет цвет глаз, другой – форму носа… Но из чего состоит ген и как он устроен, этого ученые не знали. Правда, было уже известно: в хромосомах содержится ДНК и ДНК имеет какое-то отношение к генам.
Разгадать тайну гена хотели разные ученые: каждый смотрел на эту тайну с точки зрения своей науки. Но чтобы узнать, как устроен ген, маленькая частица ДНК, надо было узнать, как устроена и из чего состоит сама молекула.
Химики, которые исследуют химический состав веществ, изучали химический состав молекулы ДНК.
Физики стали просвечивать ДНК рентгеновскими лучами, как обычно они просвечивают кристаллы, чтобы узнать, как эти кристаллы устроены. И выяснили, что ДНК похожа на спираль.
Биологи интересовались загадкой гена, конечно, больше всех.
И Уотсон решил заняться проблемой гена. Для того, чтобы поучиться у передовых биохимиков и побольше узнать о природе гена, он отправился из Америки в Европу.
В то время Уотсон и Крик еще не знали друг друга. Уотсон, проработав некоторое время в Европе, никак существенно не продвинулся в выяснении природы гена.
Но на одной из научных конференций он узнал, что физики изучают строение молекулы ДНК с помощью своих, физических методов.
Узнав это, Уотсон понял, что тайну гена ему помогут раскрыть физики, и отправился в Англию, где устроился работать в физическую лабораторию, в которой исследовали биологические молекулы.
Здесь-то и произошла встреча Уотсона и Крика.
Как физик крик заинтересовался биологией
Крик вовсе не интересовался биологией. До тех пор, пока ему на глаза не попалась книжка известного физика Шредингера "Что такое жизнь с точки зрения физики?".
Шредингер заметил, что "размножение" генов напоминает рост кристалла, и предложил ученым считать ген кристаллом. Это предложение заинтересовало Крика и других физиков. Вот почему.
Кристалл – очень простое по структуре физическое тело: в нем все время повторяется одна и та же группа атомов. А устройство гена считали очень сложным, раз их так много и все они разные. Если гены состоят из вещества ДНК, а молекула ДНК устроена так же, как кристалл, то получается: она одновременно и сложная и простая.
Как же так?
Уотсон и Крик понимали: физики и биологи слишком мало знают о молекуле ДНК. Правда, кое-что было известно о ДНК химикам.
Как уотсон помог химикам, а химики – крику
Химики знали, что в состав молекулы ДНК входят четыре химических соединения: аденин, тимин, гуанин и цитозин.
Их обозначили по первым буквам – А, Т, Г, Ц. Причем аденина было столько же, сколько тимина, а гуанина – сколько цитозина. Почему? Этого химики понять не могли.
Они догадывались: это как-то связано со структурой молекулы.
Но как, не знали. Химикам помог биолог Уотсон.
Уотсон привык к тому, что в живой природе многое встречается парами: пара глаз, пара рук, пара ног, существуют, например, два пола: мужской и женский… Ему казалось, что и молекула ДНК может состоять из двух цепочек. Но если ДНК похожа на спираль, как выяснили физики при помощи рентгена, то как в этой спирали две цепочки держатся друг за друга?
Уотсон предположил, что при помощи А, Г, Ц и Т, которые, как руки, протянуты друг к другу. Вырезав из картона контуры этих химических соединений, Уотсон долго прикладывал их то так, то эдак, пока вдруг не увидел: аденин прекрасно соединяется с тимином, а гуанин с цитозином.
Уотсон рассказал об этом Крику.
Тот быстро сообразил, как должна выглядеть двойная спираль на самом деле – в пространстве, а не на рисунке.
Оба ученых начали строить модель ДНК.
Как это – "строить"? А вот как. Из молекулярного конструктора, который напоминает детский конструктор-игрушку. В молекулярном конструкторе деталями служат шарики-атомы, которые пристегиваются друг к другу кнопочками в том порядке, в каком расположены атомы в веществе.
Молекулярный конструктор придумал другой ученый – химик Полинг. Он строил модели молекул белков и выяснил, что в них обязательно должны быть участки, похожие на спирали.
Очень скоро это подтвердили физики той лаборатории, где работал Крик. Важная биологическая проблема была решена теоретическим путем.
Способ Полинга так понравился Крику, что он предложил Уотсону построить модель ДНК при помощи молекулярного конструктора. Вот так была создана модель знаменитой Двойной спирали ДНК, которую вы можете увидеть на рисунке.
И что замечательно: из-за того, что А в одной цепи может "склеиваться" только с Т в другой, а Г – только с Ц, автоматически выполняется "химическое" правило, по которому количество А равно количеству Т, а количество Г равно количеству Ц.
Но самое о главное, что, глядя на Двойную спираль ДНК, сразу понятно, как решить загадку размножения генов. Достаточно "размотать" косичку ДНК, и каждая цепочка сможет достроить на себе новую так, чтобы А склеивалось с Т, а Г – с Ц: был один ген – стало два. Из-за того, что размеры пар А-Т и Г-Ц одинаковы, молекула ДНК по структуре в самом деле напоминает кристалл, как предполагали физики.
И в то же время этот "кристалл" может содержать самые разные сочетания А, Т, Ц, Г, и поэтому все гены разные.
Решение проблемы гена Уотсоном и Криком привело к тому, что буквально за 2–3 года сформировалась целая новая область естествознания, которую назвали молекулярной биологией.
Часто ее называют физико-химической биологией.
Важность открытия ДНК
Вопрос о том, что и как записано в ДНК, ускорил расшифровку генетического кода.
Осознание того, что гены — это ДНК, универсальный носитель генетической информации, привело к появлению генной инженерии. Сегодня уже студенты университетов расшифровывают чередование нуклеотидов в ДНК, соединяют гены разных организмов, переносят их между видами, родами и значительно более удаленными таксонами. На базе генной инженерии возникла биотехнология, которую известный фантаст С.
Лем определил как использование закономерностей биогенеза в производстве.
Вспомним, что говорил о природе генов В.Л.
Иоганнсен, человек, который в 1909 году дал само имя гена: "Свойства организмов обусловливаются особыми, при известных обстоятельствах отделимыми друг от друга и в силу этого до известной степени самостоятельными единицами или элементами в половых клетках, которые мы называем генами.
С тех пор ситуация существенно изменилась.
Мы убедились, что, кроме атомов и молекул, в клетке ничего нет. И подчиняется она тем же физическим закономерностям, что и неживые объекты, в чем смогли убедиться физики, устремившиеся в биологию в 40-х годах именно в поисках каких-то принципиально новых, неизвестных физике законов природы.
Все реакции клеточного метаболизма осуществляются под контролем биокатализаторов — ферментов, структура которых записана в ДНК генов.
Передается эта запись в цепи переноса информации ДНК РНК БЕЛОК.
Сначала информация, записанная в виде чередования дезоксирибонуклеотидов на одной из двух комплементарных цепей в ДНК гена, переписывается на одноцепочечную молекулу информационной рибонуклеиновой кислоты – иРНК (она же мРНК от англ.
messenger — переносчик). Это процесс транскрипции. На следующем этапе по матрице иРНК строится последовательность аминокислотных остатков полипептида. Тем самым создается первичная структура будущей молекулы белка. Это процесс трансляции. Первичная структура определяет способ складывания молекулы белка и тем самым определяет ее ферментативную или какую-либо иную, например структурную или регуляторную, функцию.
Эти представления зародились в начале 40-х годов, когда Дж.
Бидл и Э. Тейтум выдвинули свой знаменитый лозунг "Один ген — один фермент"*. Он, подобно политическим лозунгам, разделил научное сообщество на сторонников и противников высказанной гипотезы о равенстве числа генов и числа ферментов в клетке.
Аргументами в возникшей дискуссии служили факты, полученные при разработке так называемых систем ген-фермент, в которых изучали мутации генов, определяли их расположение внутри генов и учитывали изменения ферментов, кодируемых этими генами: замены аминокислотных остатков в их полипептидных цепях, их влияние на ферментативную активность и т.д. Теперь мы знаем, что один фермент может быть закодирован в нескольких генах, если он состоит из разных субъединиц, то есть из разных полипептидных цепей.
Знаем, что есть гены, которые вообще не кодируют полипептидов. Это гены, кодирующие транспортные РНК (тРНК) или рибосомные РНК (рРНК), участвующие в синтезе белка.
В своей первоначальной форме принцип "Один ген — один фермент" представляет скорее исторический интерес, однако заслуживает памятника, поскольку он стимулировал создание целой научной области — сравнительной молекулярной биологии гена, в которой гены — единицы наследственной информации фигурируют как самостоятельные предметы исследования.
Кроме того, разработка многочисленных систем ген-фермент помогла сформулировать вопрос: что и как записано в генетическом коде?
На этот вопрос в общей форме ответил Ф.
Крик со своими коллегами в 1961 году. Оказалось, что код триплетен — каждая кодирующая единица-кодон состоит из трех нуклеотидов. В каждом гене триплеты считываются с фиксированной точки, в одном направлении и без запятых, то есть кодоны ничем не отделены друг от друга.
Последовательность кодонов определяет последовательность аминокислотных остатков в полипептидах.
Таким образом, вследствие специфической организации генетического кода кодонам-нонсенсам отводится особая роль — терминаторов трансляции. Поэтому, возникая мутационным путем, они, как и мутации типа сдвиг рамки считывания, проявляются значительно чаще и четче, чем мутации-миссенсы, изменяющие смысл кодонов.*
* Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г.
Синергетика и прогнозы будущего.- М.,2001. – С. 97.
Нонсенсы и сдвиги считывания часто встречаются в так называемых псевдогенах, которые были открыты в начале 80-х годов в результате изучения нуклеотидных последовательностей в геномах высших эукариот.
Псевдогены очень похожи на обычные гены, но их проявление надежно "заперто" четко проявляющимися мутациями: сдвигами считывания и нонсенсами. Псевдогены представляют собой резерв эволюционного процесса. Их фрагменты используются при возникновении новых генов.
Доказательства роли ДНК в наследственности
Противодействие ДНК и хромосом влияниям внешней среды
Ферментативные функции РНК, вакцины
Что такое ДНК, содержание в клетках
Участие в наследственности, свойства молекул
Способы получения ДНК, биосинтез
Этапы клонирования ДНК, хим.
состав
Биологическая рольДНК
ДНК, РНК-содержащие вирусы
Репарация, рекомбинация, репликация, типы, синтез ДНК
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов.
Основная роль ДНК в клетках - долговременное хранение информации о структуре РНК и белков.
Расшифровка структуры ДНК (1953 г.) стала одним из поворотных моментов в истории биологии.
В научной литературе, посвященной изучению ДНК чаще всего можно встретить имена Дж. Уотсона и Френсиса Крика, как ученых, создавших в 1953 году модель структуры молекулы ДНК.
Однако, сама молекула была открыта намного раньше и не этими учеными. Имя – же первооткрывателя упоминается далеко не в каждом учебнике, справочнике или энциклопедии.
Первенство открытия дезоксирибонуклеиновой кислоты приписывается молодому швейцарскому врачу Иоганну Фридриху Мишеру. В 1869-м году, работая в Германии, он занимался изучением химического состава клеток животных. В качестве объекта своих исследований он выбрал клетки лейкоцитов. Лейкоциты ученый выделял из гнойного материала, т.к.
именно в гное очень много этих белых кровяных телец, выполняющих защитную функцию в организме, и уничтожающих микробы. Из местной хирургической больницы ему поставляли повязки, снятые со свежих гнойных ран. Мишер отмывал лейкоциты из ткани бинтов, а затем выделял из отмытых клеток молекулы белков. В процессе исследований, ему удалось установить, что кроме белка, в лейкоцитах содержится еще какое-то неизученное вещество.
Оно выделялось в виде осадка нитевидной или хлопьеобразной структуры при создании кислой среды. При подщелачивании раствора, осадок растворялся. Исследуя препарат лейкоцитов под микроскопом, Мишер обнаружил, что в процессе отмывания лейкоцитов разбавленной соляной кислотой, от них остаются одни ядра. На основании этого, он сделал заключение о том, что в ядрах клеток содержится неизвестное вещество, и назвал его нуклеином, от латинского слова nucleus, что в переводе означает «ядро».
При более подробном изучении, Мишер разработал целую систему выделения и очистки нуклеинов.
Выделенное соединение он подверг обработке эфиром и другими органическими растворителями, и убедился, что это не жировое соединение, т.
к. оно не растворялось в этих веществах. Не имели нуклеины и белковой природы, т.к. при обработке ферментами, разлагающими белки, они не претерпели никаких изменений.
Химический анализ, в те времена, был несовершенен, неточен и трудоемок.
Медленно, но верно, ученый провел его и определил, что нуклеин состоит из углерода, водорода, кислорода и фосфора. Фосфорные органические соединения тогда еще были практически не известны, поэтому Мишер сделал заключение, что открыл неизвестный науке класс соединений, содержащихся внутри клетки.
Статью о своем новом открытии он хотел разместить в журнале «Медико-химические исследования», который выпускался его учителем, одним из основателей биохимии Феликсом Хоппе-Зейлером.
Но он, прежде чем печатать материал, решил проверить его данные в своей лаборатории. На это исследование ушел целый год, и только в 1871-м году, в одном из номеров журнала, работа Мишера была опубликована. Она сопровождалась двумя статьями самого Хоппе-Зейлера и его сподвижника, с подтверждением данных о составе и свойствах нуклеинов.
После возвращения в Швейцарию, Мишер принял предложение занять место заведующего кафедрой физиологии в Базельском университете.
Там он продолжил свои исследования. На новом месте ученый использовал для опытов более приятный, и не менее богатый нуклеином материал – молоки лососевых рыб (они до сих пор используются для этих же целей). На берегу богатого лососем Рейна, протекающего через Базель, у него не было недостатка в исследуемом материале.
Ученому показалось открытое им соединение таким простым и единообразным, что он никак не мог предположить, что именно в нем может храниться все разнообразие наследственных признаков живых организмов. Существующие в те времена методы биохимического анализа, еще не позволяли обнаружить существенных отличий нуклеинов человека от нуклеинов лосося и, тем более распознать столь сложную структуру, которая и до сих пор полностью не распознана.
В 1952 г. английский биофизик Розалинда Франклин обнаружила, что дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) напоминает по своей структуре винтовую лестницу. Однако славу этого открытия, заложившего основу современного исследования генов, присвоили впоследствии Морис I Уилкинс, а также Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон.
Устройство наследственности I Розалинда Франклин исходила из предположения, что ДНК огромной длины полимерная молекула из нуклеотидов — должна состоять из повторяющихся блоков. Для проверки этой гипотезы английская исследовательница не могла просто прибегнуть к микроскопу. Подобные субмикроскопические явления можно уловить лишь посредством дифракции рентгеновских лучей. Поэтому исследовательница подвергла молекулы ДНК рентгеновскому облучению и в результате долгой кропотливой работы установила, что их структура представляет собой двойную спираль. Так впервые удалось представить себе строение основного слагаемого человеческой жизни.
Открытие, оставшееся в тени
Франклин не стала сразу публиковать результаты своего исследования. Она хотела сначала получить подтверждение своим наблюдениям у коллег. В 1953 г. Морис Уилкинс, руководитель Франклин, без ее ведома передал предоставленные ему результаты своему сотруднику Крику и биохимику Уотсону. Этим ученым был к томувремени уже известен химический состав ДНК: сахар, дезоксирибоза, фосфат и азотсодержащие основания аденин, цитозин, гуанин и тимин, и они мгновенно оценили значение данных Франклин.
Нобелевская премия не присуждается посмертно
Крик и Уотсон, внеся в работу некоторые дополнения и изменения, опубликовали ее под собственными именами. Знаменитая статья «Молекулярная структура нуклеиновых кистот: структура дезоксирибонуклеиновой кислоты», появившаяся в журнале «Nature» 1954 г., вызвала бурный энтузиазм ученого мира. Уотсон и Крик создали логачески неуязвимую модель, ставшую основой для дальнейших исследований. Между тем Розалинда Франклин умерла в 1958 г. от рака в возрасте 37 лет. Нобелевская премия по медицине за открытие структуры ДНК была присуждена в 1962 г. Крику, Уотсону и Уилкинсу.
- 1865 г.: Грегор Иоганн Медель установил законы наследования генетических принципов.
- 1970 г.: Гамильтон О. Смит и Дэниэл Натане заложили основы генной инженерии.
- 1973 г.: в США впервые создана генетически модифицированная бактерия.
- 1976 г.: индийский биофизик Хар Гобинд Корана впервые полностью синтезировал ген.
ДНК является универсальным источником и хранителем наследственной информации, которая записана с помощью специальной последовательности нуклеотидов, она определяет свойства всех живых организмов.
Средняя молекулярная масса нуклеотида принимается равной 345, а количество нуклеотидных остатков может достигать нескольких сот, тысяч и даже миллионов. ДНК в основной своей массе находится в ядрах клеток. Немного содержится в хлоропластах и митохондриях. Однако ДНК ядра клетки - это не одна молекула. Она состоит из множества молекул, которые распределены по разным хромосомам, их количество меняется в зависимости от организма. Это и есть особенности строения ДНК.
История открытия ДНК
Строение и функции ДНК были открыты Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком, им даже была вручена Нобелевская премия в 1962 году.
Но впервые обнаружил нуклеиновые кислоты швейцарский ученый Фридрих Иоганн Мишер, работавший в Германии. В 1869 году он изучал животные клетки - лейкоциты. Для их получения использовал повязки с гноем, достававшиеся ему из больниц. Из гноя Мишер вымывал лейкоциты, а из них выделял белок. В ходе этих исследований ученому удалось установить, что в лейкоцитах кроме белков имеется еще что-то, какое-то неизвестное на тот момент вещество. Оно представляло собой нитевидный или хлопьевидный осадок, который выделялся, если создать кислую среду. Осадок сразу растворялся при добавлении щелочи.
Ученый с помощью микроскопа обнаружил, что при отмывании лейкоцитов с помощью соляной кислоты от клеток остаются ядра. Тогда он сделал заключение, что в ядре есть неизвестное вещество, названное им нуклеином (слово nucleus в переводе означает ядро).
Проведя химический анализ, Мишер выяснил, что новое вещество в своем составе имеет углерод, водород, кислород и фосфор. В то время фосфорорганических соединений было известно немного, поэтому Фридрих решил, что обнаружил новый класс соединений, находящихся в ядре клетки.
Таким образом, в XIX веке было открыто существование нуклеиновых кислот. Однако в то время никто не мог даже подумать о том, какая важная роль им принадлежит.
Вещество наследственности
Строение ДНК продолжали исследовать, и в 1944 году группа бактериологов под руководством Освальда Эвери получила доказательства того, что эта молекула заслуживает серьезного внимания. Ученый на протяжении многих лет занимался изучением пневмококков, организмов, которые вызывали пневмонию или заболевание легких. Эвери проводил опыты, смешивая пневмококки, вызывающие заболевание, с теми, которые безопасны для живых организмов. Сначала болезнетворные клетки убивали, а после добавляли к ним те, которые заболеваний не вызывают.
Результаты исследований поразили всех. Были такие живые клетки, которые после взаимодействия с мертвыми научались вызывать болезнь. Ученый выяснил природу вещества, которое участвует в процессе передачи информации живым клеткам от мертвых. Молекула ДНК и оказалась этим веществом.
Строение
Итак, необходимо разобраться с тем, какое строение имеет молекула ДНК. Открытие ее структуры стало значимым событием, это привело к образованию молекулярной биологии - новой отрасли биохимии. ДНК в больших количествах находится в ядрах клеток, однако размеры и количество молекул зависят от вида организма. Установлено, что ядра клеток млекопитающих содержат много этих клеток, они распределены по хромосомам, их насчитывается 46.
Изучая строение ДНК, в 1924 году Фельген впервые установил ее локализацию. Доказательства, полученные в ходе экспериментов, показали, что ДНК находится в митохондриях (1-2%). В других местах эти молекулы могут находиться при вирусной инфекции, в базальных тельцах, а также в яйцеклетках некоторых животных. Известно, что чем сложнее организм, тем масса ДНК больше. Количество молекул, находящихся в клетке, зависит от функции и составляет обычно 1-10%. Меньше всего их находится в миоцитах (0,2%), больше - в половых клетках (60%).
Строение ДНК показало, что в хромосомах высших организмов они связаны с простыми белками - альбуминами, гистонами и прочими, которые все вместе образуют ДНП (дезоксирибонуклеопротеид). Обычно большая молекула нестойкая, и для того чтобы она оставалась целой и неизменной в ходе эволюции, создана так называемая репарирующая система, которая состоит из ферментов - лигаз и нуклеаз, отвечающих за «ремонт» молекулы.
Химическое строение ДНК
ДНК является полимером, полинуклеотидом, состоящим из огромного числа (до десятков тысяч миллионов) мононуклеотидов. Строение ДНК имеет следующий вид: мононуклеотиды содержат азотистые основания - цитозин (Ц) и тимин (Т) - из производных пиримидинов, аденин (А) и гуанин (Г) - из производных пурина. Кроме азотистых оснований, в составе молекулы человека и животных имеется 5-метилцитозин — минорное пиримидиновое основание. С фосфорной кислотой и дезоксирибозой связываются азотистые основания. Схема строения ДНК продемонстрирована ниже.
Правила Чаргаффа
Строение и биологическая роль ДНК изучались Э. Чаргаффом в 1949 году. В ходе исследований он выявил закономерности, которые наблюдаются в количественном распределении азотистых оснований:
- ∑Т + Ц = ∑А + Г (то есть число пиримидиновых оснований равно числу пуриновых).
- Всегда количество остатков аденина равно количеству остатков тимина, а количество гуанина равно цитозину.
- Коэффициент специфичности имеет формулу: Г+Ц/А+Т. Например, у человека он равен 1,5, у быка - 1,3.
- Сумма "А + Ц" равна сумме "Г + Т", то есть аденина и цитозина имеется столько же, сколько гуанина и тимина.
Модель строения ДНК
Ее создали Уотсон и Крик. Остатки фосфатов и дезоксирибоз располагаются по хребту двух закрученных спиралеобразным образом полинуклеотидных цепей. Определено, что плоскостные структуры пиримидиновых и пуриновых оснований располагаются перпендикулярно оси цепи и образуют как бы ступени лестницы в виде спирали. Установлено также, что А всегда соединяется с Т при помощи двух водородных связей, а Г прикреплено к Ц уже тремя такими же связями. Этому явлению дали название "принцип избирательности и комплементарности".
Уровни структурной организации
Изогнутая как спираль полинуклеотидная цепь - это первичная структура, которая имеет определенный качественный и количественный набор мононуклеотидов, связанных 3’,5’-фосфодиэфирной связью. Таким образом, каждая из цепей имеет 3’-конец (дезоксирибоза) и 5’-конец (фосфатный). Участки, которые содержат в себе генетическую информацию, названы структурными генами.
Двухспиральная молекула - это вторичная структура. Причем ее полинуклеотидные цепи антипараллельны и связываются водородными связями между комплементарными основаниями цепей. Установлено, что в каждом витке этой спирали содержится 10 нуклеотидных остатков, длина ее равняется 3,4 нм. Эту структуру поддерживают также Ван-дер-Ваальсовы силы взаимодействия, которые наблюдаются между основаниями одной цепи, включающие отталкивающие и притягивающие компоненты. Эти силы объясняются взаимодействием электронов в соседних атомах. Электростатическое взаимодействие также стабилизирует вторичную структуру. Оно возникает между заряженными положительно молекулами гистонов и заряженной отрицательно нитью ДНК.
Третичная структура - это намотка цепей ДНК на гистоны или суперспирализация. Описано пять видов гистонов: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4.
Укладка нуклеосом в хроматин - это четвертичная структура, поэтому молекула ДНК, имеющая длину несколько сантиметров, может складываться до 5 нм.
Функции ДНК
Основными функциями ДНК являются:
- Хранение наследственной информации. Последовательность аминокислот, находящихся в молекуле белка, определяется порядком, в котором расположены нуклеотидные остатки в молекуле ДНК. Также в ней зашифрована вся информация о свойствах и признаках организма.
- ДНК способна передавать наследственную информацию следующему поколению. Это возможно из-за способности к репликации - самоудвоению. ДНК способна распадаться на две комплементарные цепочки, и на каждой из них (в соответствии с принципом комплементарности) восстанавливается исходная последовательность нуклеотидов.
- При помощи ДНК происходит биосинтез белков, ферментов и гормонов.
Заключение
Строение ДНК позволяет ей являться хранителем генетической информации, а также передавать ее следующим поколениям. Какие есть особенности у этой молекулы?
- Стабильность. Это возможно благодаря гликозидным, водородным и фосфодиэфирным связям, а также механизму репарации индуцированных и спонтанных повреждений.
- Возможность репликации. Этот механизм позволяет в соматических клетках сохранять диплоидное число хромосом.
- Существование генетического кода. При помощи процессов трансляции и транскрипции последовательность оснований, находящихся в ДНК, преобразуется в последовательность аминокислот, находящихся в полипептидной цепи.
- Способность к генетической рекомбинации. При этом образуются новые сочетания генов, которые сцеплены между собой.
Таким образом, строение и функции ДНК позволяют ей играть неоценимую роль в организмах живых существ. Известно, что длина 46-ти молекул ДНК, находящихся в каждой клетке человека, равна почти 2 м, а число нуклеотидных пар составляет 3,2 млрд.
Двойной спирали ДНК 50 лет!
В субботу 28 февраля 1953 г. двое молодых ученых, Дж.Уотсон и Ф.Крик, в небольшой закусочной Eagle в Кембридже объявили толпе пришедших на ленч людей, что они открыли секрет жизни. Много лет спустя Одиль, жена Ф.Крика, сказала, что она, конечно, не поверила ему: приходя домой, он часто заявлял что-нибудь в этом роде, но потом оказывалось, что это ошибка. На этот раз ошибки не было, и с этого заявления началась революция в биологии, которая продолжается и по сей день.
25 апреля 1953 г. в журнале Nature появились сразу три статьи по структуре нуклеиновых кислот. В одной из них, написанной Дж.Уотсоном и Ф.Криком, была предложена структура молекулы ДНК в виде двойной спирали. В двух других, написанных М.Вилкинсом, А.Стоксом, Г.Вилсоном, Р.Франклин и Р.Гослингом, были приведены экспериментальные данные, подтверждающие спиральную структуру молекул ДНК. История открытия двойной спирали ДНК напоминает приключенческий роман и заслуживает хотя бы краткого изложения.
Важнейшие представления о химической природе генов и матричном принципе их воспроизводства были впервые четко сформулированы в 1927 г. Н.К. Кольцовым (1872–1940). Его ученик Н.В. Тимофеев-Ресовский (1900–1981) воспринял эти идеи и развил их как принцип конвариантной редупликации генетического материала. Немецкий физик Макс Дельбрюк (1906–1981; Нобелевская премия 1969 г.), работавший в середине 1930-х гг. в Химическом институте кайзера Вильгельма в Берлине, под влиянием Тимофеева-Ресовского заинтересовался биологией настолько, что бросил физику и стал биологом.
В течение долгого времени, в полном соответствии с определением жизни, данным Энгельсом, биологи считали, что наследственным веществом являются какие-то особые белки. О том, что нуклеиновые кислоты могут иметь к генам какое-то отношение, никто и не думал – слишком уж они казались простыми. Так продолжалось до 1944 г., когда было сделано открытие, коренным образом изменившее все дальнейшее развитие биологии.
В этом году была опубликована
статья Освальда Эйвери, Колина Маклеода и
Маклина Маккарти о том, что у пневмококков
наследуемые свойства передаются от одних
бактерий другим с помощью чистой ДНК, т.е. именно
ДНК является веществом наследственности. Затем
Маккарти и Эйвери показали, что обработка ДНК
расщепляющим ее ферментом (ДНКазой) приводит к
потере ею свойств гена. До сих пор непонятно,
почему это открытие осталось не отмеченным
Нобелевской премией.
Незадолго до того, в 1940 г., Л.Полинг (1901–1994; Нобелевские премии 1954 и 1962 гг.) и М.Дельбрюк разработали концепцию молекулярной комплементарности в реакциях антиген-антитело. В те же годы Полинг и Р.Кори показали, что полипептидные цепи могут образовывать спиральные структуры, а несколько позже, в 1951 г., Полинг разработал теорию, позволявшую предсказывать виды рентгенограмм для различных спиральных структур.
После открытия Эйвери с соавторами, несмотря на то, что сторонников теории белковых генов оно не убедило, стало ясно, что необходимо определить структуру ДНК. Среди понявших значение ДНК для биологии началась гонка за результатами, сопровождавшаяся жесткой конкуренцией.
Рентгеновская установка, применявшаяся в 1940-х гг. для изучения кристаллической структуры аминокислот и пептидов
В 1947–1950 гг. Э.Чаргафф на основании многочисленных экспериментов установил правило соответствия между нуклеотидами в ДНК: количества пуриновых и пиримидиновых оснований одинаковы, причем количество адениновых оснований равно количеству тиминовых, а количество гуаниновых оснований – количеству цитозиновых.
Первые структурные работы (С.Ферберг, 1949, 1952) показали, что ДНК имеет спиральную структуру. Имея огромный опыт определения структуры белков по рентгенограммам, Полинг без сомнения мог бы быстро решить проблему структуры ДНК, будь у него сколько-нибудь приличные рентгенограммы. Однако их не было, а по тем, что ему удалось получить, не удавалось сделать однозначный выбор в пользу одной из возможных структур. В результате, торопясь опубликовать результат, Полинг выбрал неверный вариант: в статье, опубликованной в начале 1953 г., он предложил структуру в виде трехнитчатой спирали, в которой фосфатные остатки образуют жесткую сердцевину, а азотистые основания расположены на периферии.
Много лет спустя, вспоминая историю открытия структуры ДНК, Уотсон заметил, что «Лайнус [Полинг] не заслуживал того, чтобы угадать правильное решение. Он не читал статей и ни с кем не разговаривал. Более того, он даже забыл собственную статью с Дельбрюком, в которой говорится о комплементарности репликации генов. Он думал, что сможет определить структуру только потому, что такой умный».
Когда Уотсон и Крик начали работу над структурой ДНК, уже многое было известно. Оставалось получить надежные рентгеноструктурные данные и интерпретировать их на основании уже имевшихся тогда сведений. Как все это происходило, хорошо описано в известной книге Дж.Уотсона «Двойная спираль», хотя многие факты в ней изложены весьма субъективно.
Дж.Уотсон и Ф.Крик на пороге великого открытия
Конечно, для того, чтобы построить модель двойной спирали, нужны были обширные знания и интуиция. Но не будь совпадения нескольких случайностей, модель могла появиться несколькими месяцами позже, а ее авторами могли быть другие ученые. Вот несколько примеров.
Розалинда Франклин (1920–1958), работавшая с М.Вилкинсом (Нобелевская премия 1962 г.) в Кингс-колледже (Лондон), получила высочайшего качества рентгенограммы ДНК. Но работа эта ее интересовала мало, она считала ее рутинной и не спешила делать выводы. Этому способствовали ее плохие отношения с Вилкинсом.
В самом начале 1953 г. Вилкинс без ведома Р.Франклин показал Уотсону ее рентгенограммы. Кроме того, в феврале того же года Макс Перутц показал Уотсону и Крику годовой отчет Совета по медицинским исследованиям с обзором работ всех ведущих сотрудников, включая Р.Франклин. Этого оказалось достаточно, чтобы Ф.Крик и Дж.Уотсон смогли понять, как должна быть устроена молекула ДНК.
Рентгенограмма ДНК, полученная Р.Франклин
В статье Вилкинса с соавторами, опубликованной в том же номере Nature , что и статья Уотсона и Крика, показано, что, судя по рентгенограммам, структура ДНК из разных источников примерно одинакова и представляет собой спираль, у которой азотистые основания расположены внутри, а фосфатные остатки снаружи.
Статья Р.Франклин (с ее студентом Р.Гослингом) была написана в феврале 1953 г. Уже в начальном варианте статьи она описала структуру ДНК в виде двух коаксиальных и сдвинутых друг относительно друга вдоль оси спиралей с азотистыми основаниями внутри и фосфатами снаружи. По ее данным, шаг спирали ДНК в форме В (т.е. при относительной влажности >70%) составлял 3,4 нм, и на один виток приходилось 10 нуклеотидов. В отличие от Уотсона и Крика, Франклин не строила моделей. Для нее ДНК была не более интересным объектом исследования, чем каменный уголь и углерод, которыми она занималась во Франции до приезда в Кингс-колледж.
Узнав о модели Уотсона–Крика, она от руки дописала в окончательном варианте статьи: «Таким образом, наши общие представления не противоречат модели Уотсона и Крика, приведенной в предыдущей статье». Что и не удивительно, т.к. эта модель была основана на ее экспериментальных данных. Но ни Уотсон, ни Крик, несмотря на самые дружеские отношения с Р.Франклин, никогда не говорили ей того, что спустя годы после ее смерти много раз повторяли публично, – что без ее данных они никогда не смогли бы построить свою модель.
Р.Франклин (крайняя слева) на встрече с коллегами в Париже
Р.Франклин умерла от рака в 1958 г. Многие считают, что, доживи она до 1962 г., Нобелевскому комитету пришлось бы нарушить свои строгие правила и вручить премию не трем, а четырем ученым. В знак признания заслуг ее и Вилкинса, одно из зданий в Кингс-колледже назвали «Франклин–Вилкинс», навсегда соединив имена людей, которые друг с другом почти не разговаривали.
При знакомстве со статьей Уотсона и Крика (она приведена ниже) удивляют ее малый объем и лапидарный стиль. Авторы прекрасно понимали значение своего открытия и, тем не менее, ограничились лишь описанием модели и кратким указанием, что «из постулированного … специфического образования пар сразу же следует возможный механизм копирования генетического материала». Сама модель взята как будто «с потолка» – нет никаких указаний на то, как она была получена. Не приведены ее структурные характеристики, за исключением шага и числа нуклеотидов на шаг спирали. Образование пар также описано нечетко, т.к. в то время использовались две системы нумерации атомов в пиримидинах. Статья иллюстрирована лишь одним рисунком, сделанным женой Ф.Крика. Однако для обычных биологов перегруженные кристаллографическими данными статьи Вилкинса и Франклин были трудны для восприятия, а статью Уотсона и Крика поняли все.
Позже и Уотсон, и Крик признавали, что просто боялись в первой же статье излагать все детали. Это было сделано во второй статье, озаглавленной «Генетические следствия из структуры ДНК» и напечатанной в Nature 30 мая того же года. В ней приведены обоснования модели, все размеры и детали структуры ДНК, схемы образования цепей и спаривания оснований, обсуждены различные следствия для генетики. Характер и тон изложения говорят о том, что авторы вполне уверены в своей правоте и важности своего открытия. Правда, пару Г–Ц они соединили только двумя водородными связями, но уже через год в методической статье указали, что возможны три связи. Вскоре и Полинг подтвердил это расчетами.
Открытие Уотсона и Крика показало, что генетическая информация записана в ДНК четырехбуквенным алфавитом. Но потребовалось еще 20 лет на то, чтобы научиться ее читать. Сразу же встал вопрос о том, каким должен быть генетический код. Ответ на него в 1954 г. предложил физик-теоретик Г.А. Гамов*: информация в ДНК кодируется триплетами нуклеотидов – кодонами. Это было подтверждено экспериментально в 1961 г. Ф.Криком и С.Бреннером. Затем в течение 3–4 лет в работах М.Ниренберга (Нобелевская премия 1965 г.), С.Очоа (Нобелевская премия 1959 г.), Х.Кораны (Нобелевская премия 1965 г.) и др. было определено соответствие между кодонами и аминокислотами.
В середине 1970-х гг. Ф.Сэнгер (р. 1918;
Нобелевские премии 1958 и 1980 гг.), также
работавший в Кембридже, разработал метод
определения последовательностей нуклеотидов в
ДНК. Сэнгер использовал его для определения
последовательности 5386 оснований, составляющих
геном бактериофага jХ174. Однако геном этого фага
– редкое исключение: он представляет собой
одноцепочечную ДНК.
Настоящая эра геномов началась в мае 1995 г.,
когда Дж.К. Вентер объявил о расшифровке
первого генома одноклеточного организма –
бактерии Haemophilus influenzae
. Сейчас расшифрованы
геномы около 100 различных организмов.
Еще недавно ученые думали, что всё в
клетке определяется последовательностью
оснований в ДНК, однако жизнь, по-видимому,
гораздо сложнее.
Теперь хорошо известно, что ДНК нередко имеет
форму, отличную от двойной спирали
Уотсона–Крика. Более 20 лет назад в
лабораторных экспериментах была обнаружена так
называемая Z-спиральная структура ДНК. Это тоже
двойная спираль, но закрученная в другую сторону
по сравнению с классической структурой. До
недавнего времени считалось, что Z-ДНК не имеет
отношения к живым организмам, но недавно группа
исследователей из Национальных институтов
сердца, легких и крови (США) обнаружила, что один
из генов иммунной системы активируется только
тогда, когда часть его регуляторной
последовательности переходит в Z-форму. Теперь
предполагается, что временное образование
Z-формы может быть необходимым звеном в регуляции
экспресии многих генов. Обнаружено, что в
некоторых случаях вирусные белки связываются с
Z-ДНК и приводят к повреждению клеток.
Кроме спиральных структур ДНК может образовывать хорошо известные скрученные кольца у прокариот и некоторых вирусов.
В прошлом году С.Найдл из Института исследований рака (Лондон) обнаружил, что нерегулярные концы хромосом – теломеры, представляющие собой одиночные цепи ДНК, – могут складываться в очень регулярные структуры, напоминающие пропеллер). Сходные структуры были обнаружены и в других участках хромосом и получили название G-квадруплексов, поскольку образуются участками ДНК, богатыми гуанином.
По-видимому, такие структуры способствуют стабилизации участков ДНК, на которых они образуются. Один из G-квадруплексов был обнаружен непосредственно рядом с геном c-MYC , активация которого вызывает рак. В этом случае он может предотвращать связывание с ДНК белков – активаторов гена, и исследователи уже начали поиск препаратов, стабилизирующих структуру G-квадруплексов, в надежде, что они помогут в борьбе с раком.
В последние годы была обнаружена не только способность молекул ДНК к формированию структур, отличных от классической двойной спирали. К удивлению ученых, в ядре клетки молекулы ДНК находятся в непрерывном движении, как бы «танцуют».
Давно известно, что ДНК образует комплексы с белками-гистонами в ядре с протамином в сперматозоидах. Однако эти комплексы считались прочными и статичными. С помощью современной видеотехники удалось заснять динамику этих комплексов в реальном времени. Оказалось, что молекулы ДНК постоянно образуют мимолетные связи друг с другом и с разнообразными белками, которые, как мухи, вьются вокруг ДНК. Некоторые белки движутся с такой скоростью, что от одной стороны ядра до другой проходят за 5 с. Даже гистон Н1, наиболее прочно связанный с молекулой ДНК, каждую минуту диссоциирует и снова связывается с ней. Это непостоянство связей помогает клетке регулировать активность своих генов – ДНК постоянно проверяет наличие в своем окружении факторов транскрипции и других регуляторных белков.
Ядро, которое считалось довольно статическим образованием – хранилищем генетической информации, – на самом деле живет бурной жизнью, и от того, какова хореография его компонентов, во многом зависит благополучие клетки. Некоторые болезни человека могут быть вызваны нарушениями координации этих молекулярных танцев.
Очевидно, что при такой организации жизни ядра его разные участки неравноценны – наиболее активные «танцоры» должны быть ближе к центру, а наименее активные – к стенкам. Так оно и оказалось. Например, у человека хромосома 18, в которой всего несколько активных генов, всегда находится вблизи границы ядра, а набитая активными генами хромосома 19 – всегда вблизи его центра. Более того, движение хроматина и хромосом и даже просто взаимное расположение хромосом, по-видимому, влияет на активность их генов. Так, близкое расположение хромосом 12, 14 и 15 в ядрах клеток лимфомы мыши считают фактором, способствующим превращению клетки в раковую.
Прошедшие полвека в биологии стали эрой ДНК – в 1960-х гг. расшифрован генетический код, в 1970-х гг. получены рекомбинантные ДНК и разработаны методы секвенирования, в 1980-х гг. разработана полимеразная цепная реакция (ПЦР), в 1990 г. начат проект «Геном человека». Один из друзей и коллег Уотсона, У.Гилберт, считает, что традиционная молекулярная биология умерла – теперь все можно выяснить, изучая геномы.
Ф.Крик среди сотрудников лаборатории молекулярной биологии в Кембридже
Сейчас, просматривая статьи Уотсона и Крика 50-летней давности, удивляешься, как много из предположений оказались верными или близкими к истине – ведь у них не было почти никаких экспериментальных данных. Что касается самих авторов, пятидесятилетие открытия структуры ДНК оба ученых встречают, активно работая теперь уже в разных областях биологии. Дж.Уотсон был одним из инициаторов проекта «Геном человека» и продолжает работать в области молекулярной биологии, а Ф.Крик в начале 2003 г. опубликовал статью о природе сознания.
Дж.Д. Уотсон,
|
* Георгий Антонович Гамов (1904–1968, эмигрировал в США в 1933 г.) – один из крупнейших ученых XX в. Он автор теории тета-распада и туннельного эффекта в квантовой механике; жидко-капельной модели атомного ядра – основы теорий ядерного распада и термоядерных реакций; теории внутренней структуры звезд, показавшей, что источником солнечной энергии являются термоядерные реакции; теории «Большого взрыва» в эволюции Вселенной; теории реликтового излучения в космологии. Хорошо известны его научно-популярные книги, такие как серия книг о мистере Томпкинсе («Мистер Томпкинс в Стране чудес», «Мистер Томпкинс внутри себя» и др.), «Раз, два, три… бесконечность», «Планета под названием Земля» и др.
