Страница 16 из 22
Согласно модели Крика—Уотсона, ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей дезоксирибозы фосфата, соединенных парами оснований аналогично ступенькам лестницы. Посредством водородных связей аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином. По Уотсону и Крику, две части молекулы разъединяются в местах водородных связей, что напоминает расстегивание «молнии», и из каждой половины прежней молекулы синтезируется новая ДНК. Матрицей, образцом для образования молекул служит последовательность оснований. Достаточно «размотать» косичку ДНК, и каждая цепочка сможет достроить на себе новую так, чтобы А склеивался с Т, а Г – с Ц. Из-за того, что размеры пар А-Т и Г-Ц одинаковы, молекула ДНК по структуре в самом деле напоминает кристалл, как предполагали физики. В то же время этот «кристалл» может содержать самые разнообразные сочетания А, Т, Ц, Г, поэтому все гены разные.
Модель Уотсона и Крика объяснила четыре главные функции ДНК: репликацию (копирование) генетического материала, наделение его специфическими чертами, хранение информации в молекуле и ее способность мутировать.
25 апреля 1953 г. ученые опубликовали свое открытие в журнале Nature, а через 10 лет разделили с Уилкинсом Нобелевскую премию по биологии. Открытие химической структуры ДНК было оценено во всем мире как одно из наиболее выдающихся биологических открытий века.
«Теперь, более полувека спустя, можно констатировать, что открытие структуры ДНК сыграло в развитии биологии такую же роль, как в физике – открытие атомного ядра. Выяснение строения атома привело к рождению новой, квантовой физики, а открытие строения ДНК – к рождению новой, молекулярной биологии», – пишет М. Франк-Каменецкий, выдающийся генетик, автор книги «Самая главная молекула».
Изучение структуры и биохимии ДНК способствовало созданию методики модификации генома и клонирования. В 1969 г. ученые впервые синтезировали искусственный фермент, в 1971 г. – искусственный ген. В 1978 г. был создан инсулин, практически полностью идентичный человеческому, а потом его ген был внедрен в геном бактерий, превратившихся в «фабрику инсулина». В 1990 г. впервые был опробован метод генной терапии, который позволил спасти жизнь четырехлетней девочке, страдавшей тяжелым расстройством иммунитета. Анализ ДНК нашел широкое применение даже в криминалистике. Он используется во время судебных процессов по признанию отцовства, а также для установления личности преступника.
Очевидно, в будущем ученые научатся клонировать органы человека, что решит проблему нехватки донорских сердец и легких для пересадки. Появятся новые лекарства, благодаря которым уйдут в прошлое неизлечимые генетические заболевания.
Генетический код
Ученых давно интересовала тайна главного свойства всех живых организмов – размножение. И почему дети – идет ли речь о людях, животных, растениях или микроорганизмах – похожи на своих родителей, бабушек, дедушек, дальних родственников?..
После открытия ДНК – молекулы, которая содержит инструкции для производства белков, выполняющих всю основную работу в клетке, – ученым захотелось выяснить подробности процесса копирования и переноса наследственной информации из ядра в цитоплазму, к месту синтеза белка. Уже было известно, что белки – это полимеры, состоящие из повторяющихся наборов (последовательностей) 20 аминокислот. Все виды животных отличаются друг от друга набором белков в клетках, то есть разными последовательностями аминокислот. Ученые догадывались, что эти последовательности задаются генами – базовыми «кирпичиками» жизни. Но что такое гены, никто в точности не представлял.
Ясность внес один из авторов теории Большого взрыва, физик Георгий Гамов – сотрудник Университета Джорджа Вашингтона. Основываясь на модели двухцепочечной спирали ДНК Уотсона и Крика, он предположил, что ген – это определенный участок ДНК, то есть некая последовательность звеньев-нуклеотидов.
В каждой такой последовательности заключена наследственная информация. Наименьшей ее единицей после нуклеотида являются три соседствующих нуклеотида – триплет. Расположенные один за другим триплеты и составляют ген. Поскольку каждый нуклеотид – это одно из четырех азотистых оснований (аденин – А, гуанин – Г, цитозин – Ц, тимин – Т), нужно было выяснить, как четыре элемента могут кодировать 20 аминокислот. В этом и состояла идея генетического кода.
К началу 1960-х ученые установили, что белки синтезируются из аминокислот в рибосомах – своего рода «фабриках» внутри клетки. Приступая к синтезу белка, фермент приближается к матрице ДНК, распознает информацию, закодированную чередованием нуклеотидов на определенном участке цепи, и синтезирует копию гена в виде маленькой одноцепочечной РНК (ее называют матричной, или мРНК от англ. messenger – переносчик, посланник). Это процесс транскрипции. На следующем этапе мРНК переносит информацию из ядра в цитоплазму, к рибосоме – важнейшей органелле клетки, где синтезируется белок. Внутри рибосомы к кодонам мРНК по принципу комплементарности присоединяются антикодоны транспортной РНК. Рибосома соединяет между собой аминокислоты, принесенные тРНК, пептидной связью – сцепляя α-аминогруппу (-NH2) одной аминокислоты и α-карбоксильную группу (-СООН) другой. Получается белок. Это – трансляция. Первичная структура определяет не только способ формирования молекулы белка, но и ее ферментативную, структурную либо регуляторную функцию.
То, что одной аминокислоте соответствуют три нуклеотида, Фрэнсис Крик выяснил в ходе экспериментов с вирусом фаг Т4. Триплет – единица кода – получила название «кодон». Оставалось понять, как действует шифр.
Сделать это удалось ученым М. Ниренбергу и Г. Маттеи, которые искусственно получили (синтезировали) РНК, состоящую из многократно повторяющегося урацила (поли-У), и использовали ее в качестве мРНК. В каждой из 20 пробирок ученые соединили бесклеточный экстракт Е. coli, содержавший все необходимые компоненты для синтеза белка (рибосомы, тРНК, АТФ и прочие ферменты), поли-У и одну из известных аминокислот. Анализ содержимого пробирок показал, что полипептид образовался только в том сосуде, который содержал аминокислоту фенилаланин.
Так было доказано, что кодон УУУ, входящий в мРНК, шифрует аминокислоту фенилаланин. Аналогичные опыты показали, что триплет ЦЦЦ кодирует аминокислоту пролин, а триплет ААА – лизин. Это открытие стало первым шагом к расшифровке генетического кода.
На основании же дальнейших исследований сформировались его основные свойства:
1. Генетический код триплетен: каждый из 64 кодонов представляет собой три нуклеотида и кодирует, то есть шифрует, только одну аминокислоту.
2. Генетический код является вырожденным: каждая аминокислота может шифроваться более чем одним кодоном. Происходит так из-за того, что у кодонов, определяющих одну и ту же аминокислоту, первые два основания фиксированные, а третье «плавает» и может заменяться другим основанием. Лишь метионин и триптофан кодируются всего одним триплетом. Кодон, соответствующий метионину (АУГ), отвечает за считывание и не кодирует аминокислоту, если стоит в начале цепи ДНК. Триплеты УАГ, УАА, УГА вообще не кодируют аминокислот, потому называются бессмысленными, или нонсенс-кодонами.
3. Генетический код неперекрываем – один и тот же нуклеотид не может входить в два рядом стоящих триплета одновременно.
4. Генетический код универсален: одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у всех живых существ на Земле независимо от уровня их организации.
В 1961 г. Ниренберг и Маттеи впервые доложили о своих результатах на биохимическом конгрессе в Москве. К 1967 г. генетический код полностью расшифровали.
Открытие структуры ДНК и генетического кода переориентировало биологические исследования. Расшифровка генома человека дала антропологам совершенно новый метод изучения эволюции нашего вида. А недавно изобретенный редактор ДНК CRISPR-Cas позволил заметно продвинуть вперед генную инженерию.