ДНК. История генетической революции - Джеймс Д. Уотсон

Естественно, я всерьез обеспокоился, когда в 1979 году моей сорокадевятилетней сестре Бетти диагностировали агрессивный отечно-инфильтративный рак груди. К счастью, она тогда жила в Вашингтоне, округ Колумбия, и могла лечиться в Национальном онкологическом институте – одном из лучших в мире учреждений, занимавшихся инновационной химиотерапией. Более года она еженедельно принимала химиотерапию в почти смертельных дозах. В Национальном онкологическом институте мою сестру вылечили от рака – болезнь так и не вернулась к ней до самой смерти. Однако, как ни прискорбно, впоследствии этот успех практически не удавалось повторить у пациентов, больных этим видом рака, а тем более гораздо более агрессивными его видами: раком легкого, поджелудочной железы, прямой кишки и мозга. Даже сегодня, когда в очень редких случаях и удается добиться полной ремиссии, этот рак почти всегда возвращается в новой и гораздо более агрессивной форме, устойчивой к химиотерапии, и в таком случае болезнь обычно оставляет человеку всего один-два года. Считаю, что Бетти смогла прожить еще более двадцати лет без следа рецидивов болезни именно благодаря той годичной химиотерапии. Она прожила по меньшей мере вдвое дольше, чем обычно прогнозируют на современном этапе пациентам с раком груди. С тех пор эта мысль меня не оставляет, и я думаю, что ее стоит обдумать многим исследователям-онкологам.

Я стал гораздо больше интересоваться исследованиями рака с тех пор, как впервые услышал об опухолевых вирусах, то есть более тридцати лет тому назад. Осенью 1947 года, будучи новоиспеченным аспирантом Университета Индианы, я стал посещать курс по вирусологии, который читал тридцатипятилетний микробиолог Сальвадор Лурия, получивший образование в Италии. Узнавая о вирусах, провоцирующих рак, и в частности о вирусе саркомы Рауса и вирусе папилломы Шоупа, я задумывался над тем, а есть ли у них канцерогенные гены (онкогены). Однако узнать об этом наверняка удалось лишь после того, как в 1953 году мы смоделировали структуру ДНК и поняли, что она напоминает двойную спираль. В результате плодотворных размышлений мы поняли, что, поскольку у вирусов относительно немного нуклеиновых кислот, их хромосомы могут кодировать от силы несколько онкогенов. В начале 1968 года меня назначили директором лаборатории Колд-Спринг-Харбор на Лонг-Айленде, и я поставил себе первоочередную цель: найти, а затем изучить канцерогенные гены на материале человеческого опухолевого вируса SV40, который был открыт незадолго до этого. Мне ни разу не пришлось пожалеть об этом решении, поскольку с тех пор лаборатория в Колд-Спринг-Харборе была центром изучения регуляции генов у эукариот, а также генетических основ рака.

До изобретения технологий планомерного выращивания вирусов в средах для культивирования клеточных культур (эти методологии разработали Гарри Игл из Национальных институтов здравоохранения и Ренато Дульбекко, тогда трудившиеся в Калифорнийском технологическом институте) те впечатляющие наработки 1970-х, показавшие, как именно вирусы вызывают рак, или были бы просто невозможными, или же продвигались бы с черепашьей скоростью. Не менее важную роль для быстрого прогресса в этой сфере сыграла растущая доступность радиоактивных изотопов, которыми помечают основные компоненты вирусных нуклеиновых кислот. Многие талантливейшие интеллектуалы, решившие заняться биологией и медициной после открытия двойной спирали, разумно присоединились к поиску вирусных генов, вызывающих рак.

У многоклеточных животных циклы роста и деления большинства клеток происходят не самопроизвольно, а требуют внешнего сигнала – такой сигнал дают гормоны, поступающие из других органов. Таким образом, клетки делятся лишь тогда, когда организму это требуется. Большинство этих белковых сигналов для запуска/перезапуска клеточного роста либо воздействуют на поверхность клетки (например, эпидермальный фактор роста связывается с соответствующим рецептором), либо опосредуются гормонами роста, поступающими через цитоплазму к ядру, где связываются с рецепторами гормонов, расположенными в ядерном хроматине (таков, например, рецептор эстрогена). Так запускается синтез определенных факторов транскрипции. Многие белки, покрывающие поверхность клеток растущего эмбриона, – это рецепторы факторов роста. Прямо под ними, на внутренней стороне клеточной мембраны, находятся погруженные в цитоплазму другие важные сигнальные белки, например RAS и фосфоинозитид-3-киназа (PI3Ks), которые передают сигналы, стимулирующие рост, на рибосомы – клеточные органеллы, где синтезируются белки для сборки новых клеток.

Механизм репликации вируса саркомы Рауса впервые предсказали в Университете Висконсина в начале 1960-х. Говарда Темина озадачил вопрос, почему размножение этого вируса в мышиных клетках блокируется актиномицином, ингибитором синтеза ДНК. Темин предположил, что первый этап размножения этого вируса заключается в синтезе одноцепочечных нитей ДНК, комплементарных одноцепочечным матрицам РНК, вызывающим инфекцию. Получающиеся в результате двойные спирали, состоящие из ДНК и РНК, затем должны рекомбинироваться в одну или несколько мышиных хромосом, пока возникают провирусы саркомы Рауса, то есть пока вирусные геномы встраиваются в клетки хозяина. При дальнейшей транскрипции этих провирусных последовательностей ДНК генерируются новые цепочки РНК вируса саркомы Рауса. Таким образом, Темин обнаружил вирусы, обладающие активностью обратной транскриптазы и существующие как провирусы в ДНК клеток животных.

Провирусная гипотеза Темина была подтверждена в 1970-е годы, когда он сам и Дейвид Балтимор из Массачусетского технологического института независимо друг от друга открыли, что обработанные детергентом разорванные вирусные частицы встраивают дезоксинуклеозидтрифосфаты в растущую цепочку ДНК. В присутствии фермента рибонуклеазы, расщепляющего РНК, ДНК не образуется – таким образом, шаблоном для ее синтеза служит вирусная РНК. Такой синтез катализирует фермент обратная транскритаза, отвечающая за построение ДНК. Этот фермент кодирует один из четырех генов, линейно расположенных вдоль единственной цепочки ДНК у вируса саркомы Рауса. Длина его ДНК около шести тысяч оснований. Таким образом, способность РНК-содержащих вирусов поражать клетки тканей человека и животных – это следствие так называемой обратной транскрипции, то есть возможности передачи генетической информации не от ДНК к РНК, затем к белку (транскрипция), а наоборот, от молекулы РНК к ферменту ДНК – полимеразе (ревертазе) и уже от него к клетке, которая в результате перерождается в опухолевую. (За открытия, касающиеся взаимодействия между опухолевыми вирусами и генетическим материалом клетки, Темин и Балтимор были совместно удостоены Нобелевской премии в 1975 году). Два из этих генов получили название Gag и Env – они кодируют у вируса саркомы Рауса соответственно внутренние (связывающиеся с РНК) и внешние структурные белки оболочки. В конце генома РНК расположен ген Src – он кодирует фермент, который фосфорилирует тирозиновые остатки и обеспечивает базовый внутриклеточный регуляторный этап в самом начале биохимического пути, по которому внешние сигналы, стимулирующие рост клетки, передаются с мембраны к клеточному ядру.

Следующее важное открытие также было отмечено Нобелевской премией. Его совершили Майк Бишоп и Гарольд Вармус из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, определившие, что во всех клетках позвоночных содержится неонкогенный вариант гена Src, очень похожий на тот, что кодирует вирусную саркому Рауса. Они выявили первый человеческий онкоген. Естественно, Бишоп был польщен, когда однажды рано утром в 1989 году его разбудил звонок из Стокгольма, но тем не менее настаивал на более раннем времени своей пресс-конференции, чтобы успеть в тот вечер поболеть за любимую команду «Сан-Франциско Джайентс», вышедшую в плей-офф главной лиги бейсбола. Вскоре исследователи открыли и неканцерогенные варианты других вирусных онкогенов, в частности RAS-онкогенов (они встречаются в трех вариантах: H, K и N). Подобные гены передают сигналы, стимулирующие рост, от многочисленных мембранных рецепторов факторов роста. Такие онкогены, как рецептор HER2 (из семейства эпидермальных факторов роста), часто амплифицируются в раковых клетках; при их наличии соответствующие нисходящие пути роста всегда активны. Напротив, в нормальных клетках ген HER2 почти все время неактивен.