ДНК. История генетической революции - Джеймс Д. Уотсон

Когда мне впервые довелось встретиться с Гамовым (в 1954 году), он уже разработал формальный метод для обозначения конкретных аминокислот перекрывающимися триплетами оснований ДНК. Он предположил схему реализации генетического кода: сборка белка происходит непосредственно на молекуле ДНК, причем каждая аминокислота помещается в ромбической выемке между четырьмя нуклеотидами, по два от каждой из комплементарных цепей. Эта схема, получившая название «бубнового кода», предполагает корреляцию между последовательными аминокислотными остатками, так как два нуклеотида всегда входят в два соседних ромба (перекрывающийся код). Я сказал Гамову, что мне эта идея не совсем нравится: ДНК не могла быть обычным шаблоном, по которому аминокислоты укладывались бы в триплеты. Я полагал, что, будучи физиком, Гамов не читал статей, опровергающих версию о синтезе белков в клеточном ядре – а ДНК расположена именно там. Действительно, если удалить из клетки ядро, это не сказывается на темпах синтеза белков. Сегодня известно, что на самом деле сборка белков из аминокислот происходит в рибосомах, мелких клеточных органеллах, где содержится иная нуклеиновая кислота – РНК.

На тот момент было неизвестно, какую именно роль играет РНК в биохимических процессах. Казалось, что у некоторых вирусов, например у вируса табачной мозаики, она ведет себя подобно ДНК, кодируя конкретные белки, специфичные для данного организма. В клетках РНК участвует в синтезе белков, поскольку в клетках, продуцирующих белки, всегда много РНК. Еще до того как мы обнаружили двойную спираль, я полагал, что генетическая информация в хромосомной ДНК, вероятно, может использоваться при сборке цепочек РНК, состоящих из комплементарных последовательностей. В таком случае РНК являлась бы промежуточным звеном между ДНК и белками. Впоследствии Френсис Крик назвал такое преобразование ДНК → РНК → белок «центральной догмой». Такая схема получила подтверждение в связи с открытием в 1959 году фермента РНК-полимеразы. Практически во всех клетках этот фермент катализирует сборку однонитчатых цепочек РНК по двунитчатому шаблону ДНК.

Оказалось, что необходимый ключ к пониманию процесса синтеза белков появится в ходе дальнейшего изучения РНК, а не ДНК. Чтобы продвинуть работу по «взлому кода» – дешифровке взаимосвязи между последовательностью оснований ДНК и аминокислотными последовательностями белков, мы с Гамовым организовали «Клуб галстуков РНК». В него допускалось всего двадцать членов – по числу аминокислот. Гамов придумал клубный галстук и даже заказал эксклюзивные галстучные булавки, каждая из которых соответствовала своей аминокислоте. У нас были служебные бейджики, каждый со стандартизированной трехбуквенной аббревиатурой аминокислоты, которую было поручено изучать обладателю этого бейджика. У меня была аббревиатура PRO (пролин), а у Гамова – ALA (аланин). В те времена было модно писать на галстучной булавке собственные инициалы, и Гамову нравилось таким образом путать окружающих. Однажды эта шутка ему аукнулась: остроглазый гостиничный клерк отказался принять у него чек, заметив, что фамилия на чеке не соответствует инициалам на булавке.

На тот момент большинство ученых, интересовавшихся расшифровкой ДНК, вполне умещались в закрытом клубе на двадцать человек – представьте, как узок был тогда мир ДНК-РНК. Гамов легко нашел в нем место для товарища-небиолога Эдварда Теллера (LEU – лейцин), а я пригласил в нашу компанию Ричарда Фейнмана (GLY – глицин), невероятно талантливого физика из Калифорнийского технологического института. Когда Фейнману наскучивало исследовать внутриатомные силы, он частенько наведывался ко мне в биологический корпус.

Один из элементов схемы Гамова, предложенной в 1954 году, обладал важным достоинством: его можно было проверить. Поскольку речь шла о перекрывающихся триплетах в составе ДНК, такая схема означала, что многие аминокислоты никогда не будут располагаться в белках бок о бок друг с другом. Поэтому Гамов с нетерпением ожидал результатов секвенирования все новых и новых белков. По мере того как обнаруживались все новые и новые пары смежных аминокислот, теория Гамова разваливалась на глазах. Окончательный крах гамовских «шифров» наступил в 1956 году, когда Сидней Бреннер (VAL – валин) проанализировал все известные на тот момент последовательности аминокислот.

Сидней Бреннер вырос в деревне близ южноафриканского города Йоханнесбурга. Семья жила в двухкомнатной пристройке к отцовской сапожной мастерской. Хотя Бреннер-старший, эмигрант из Литвы, был неграмотен, его сын-вундеркинд пристрастился к чтению уже в четырехлетнем возрасте и благодаря этому увлечению познакомился с биологией, прочитав книгу The Science of Life. Будучи взрослым, он признался, что однажды просто украл эту книгу в публичной библиотеке. Ни воровство, ни бедность не могли помешать развитию Сиднея Бреннера: в возрасте четырнадцати лет он поступил на медицинский факультет Университета Витватерсранда, а затем отправился в Оксфорд писать докторскую диссертацию. Именно в оксфордский период он наведался в Кембридж, через месяц после того как мы открыли двойную спираль ДНК. Вот как он вспоминал о своих первых впечатлениях от нашей модели: «Когда я ее увидел, мне сразу стало ясно – да, это она. И я мигом понял, насколько она фундаментальна».

Гамов был не единственным, чьи теории оказались нежизнеспособными: мне тоже довелось погоревать. Сразу же после открытия двойной спирали я отправился в Калифорнийский технологический институт: там я собирался изучить структуру РНК. Каково же было мое разочарование, когда мы с Александром Ричем (ARG – аргинин) выяснили, что при рентгеновской дифракции РНК-снимки получаются неразборчивыми: очевидно, структура молекулы была далеко не такой красивой и правильной, как у ДНК. Френсис Крик (TYR – тирозин), разочарованный не меньше нас, в начале 1955 года уведомил всех членов Клуба галстуков РНК, что структура РНК (как я и полагал) не откроет тайны превращения ДНК в белки. Напротив, Крик полагал, что аминокислоты могут доставляться к месту фактического синтеза белков так называемыми «адапторными молекулами», причем для каждой аминокислоты должна существовать «своя» молекула такого рода. Он думал, эти «адапторы» могут быть очень мелкими молекулами РНК. Два года я с ним не соглашался. А затем было сделано крайне неожиданное биохимическое открытие, показавшее, что Крик попал в самую точку.

Клуб галстуков РНК; характерный росчерк Гамова; Гамов собственной персоной; встреча членов Клуба в 1955 году (Френсис Крик, Алекс Рич, Лесли Оргел и я) – на фотографии хорошо видны галстуки

Новость пришла из Массачусетской больницы общего профиля (Бостон), где Пол Замечник уже несколько лет разрабатывал бесклеточные системы для изучения белкового синтеза. Клетка состоит из множества мелких компартментов, и Замечник верно предположил, что необходимо изучить происходящие в них процессы без таких помех, которые возникают из-за многочисленных мембран. В процессе работы с веществами, выделенными из печеночной паренхимы, ему вместе с коллегами удалось воссоздать в пробирке упрощенный вариант внутриклеточной среды, где далее они смогли пометить аминокислоты радиоактивными изотопами и отслеживать, как из них компонуются белки. Именно таким образом Пол Замечник выяснил, что синтез белков происходит в рибосомах, тогда как Георгий Гамов поначалу этого не признавал.