ДНК. История генетической революции - Джеймс Д. Уотсон

Интроны и экзоны. Некодирующие интроны вырезаются из матричной РНК перед синтезом белков

Некоторые гены особенно богаты интронами. Например, у человека есть ген фактора свертываемости крови VIII (он может мутировать у людей, страдающих гемофилией), который содержит двадцать пять интронов. Фактор VIII – большой белок, его длина составляет около двух тысяч аминокислот, но на кодирующие экзоны в нем приходится всего около 4 % общей длины гена. Оставшиеся 96 % – это интроны.

Каков функционал интронов? Ведь очевидно, что их наличие радикально усложняет все клеточные процессы, поскольку при формировании матричной РНК их всегда требуется вырезать, а это сложное дело, особенно с учетом того, что единственной ошибки при вырезании интрона при подготовке матричной РНК достаточно, чтобы, допустим, фактор свертываемости крови VIII приобрел мутацию сдвига рамки, которая «испортит» весь белок. Существует теория, что такие молекулярные вкрапления – попросту эволюционный рудимент, наследие, сохранившееся со времен зарождения жизни на Земле. Однако до сих пор активно обсуждается, как могли возникнуть интроны и есть ли от них какая-либо польза в великом коде жизни.

Когда в общих чертах стала понятна природа генов у эукариот (организмов, в клетках которых есть специальное хранилище для генетического материала – ядро; у прокариот, например у бактерий, ядра нет), в науке началась настоящая «золотая лихорадка». Группы мотивированных на открытия ученых, вооруженные новейшими технологиями, устроили настоящую гонку: кому первому удастся изолировать (клонировать) и охарактеризовать ключевые гены. Среди первых найденных «сокровищ» были гены, мутации которых вызывают рак у млекопитающих. Как только ученые завершили секвенирование ДНК нескольких хорошо изученных вирусных онкогенов, в частности SV40, удалось выявить конкретные гены, вызывающие рак. Эти гены способны превращать обычные клетки в клетки с онкологическими свойствами – например, в такие, которые бесконтрольно растут и делятся и поэтому образуют опухоли. Уже вскоре молекулярные биологи начали выделять гены из раковых клеток человека, и затем было найдено подтверждение тому, что рак у человека возникает из-за изменений на уровне ДНК, а не из-за обычных негенетических проблем роста, как предполагалось ранее. Были найдены гены, ускоряющие или стимулирующие рост опухолей, а также гены, замедляющие или ингибирующие его. По-видимому, для нормальной работы клетке, как и автомобилю, нужна педаль газа и педаль тормоза.

Генетическое кладоискательство захлестнуло всю молекулярную биологию. В 1981 году в лаборатории Колд-Спринг-Харбор стали читать продвинутый летний курс о приемах генетического клонирования. В ходе этого курса было разработано лабораторное пособие «Молекулярное клонирование», и за следующие три года эта книга разошлась тиражом более 80 тысяч экземпляров. Первый этап революции ДНК (1953–1972) – воодушевление, которое увенчалось открытием двойной спирали и привело нас к чтению генетического кода, – осуществился силами примерно трехсот ученых. На втором этапе, когда была получена рекомбинантная ДНК и разработаны технологии секвенирования ДНК, число революционеров менее чем за десятилетие возросло в сотни раз.

Такой взрывной рост отчасти связан с возникновением совершенно новой индустрии – биотехнологии. Теперь ДНК интересовала не только биологов, стремившихся понять молекулярные основы жизни. Молекула ДНК вышла из академических кулуаров, населенных людьми в белых халатах, в большой мир, где обитают в основном носители шелковых галстуков и строгих костюмов. Френсис Крик назвал свой дом в Кембридже «Золотая спираль», и вскоре это выражение приобрело совершенно новый смысл.

На фото: журнал Time сообщает о рождении биотехнологического бизнеса (а также анонсирует королевскую свадьбу)

Герб Бойер умеет попасть на нужную встречу. Мы уже знаем, как в 1972 году они со Стэнли Коэном зашли перекусить в ресторанчик в районе Вайкики, и в результате были поставлены эксперименты, позволившие создать рекомбинантную ДНК. В 1976 году в его жизни опять произошла нужная встреча: случилось это в Сан-Франциско, где Герб Бойер познакомился со специалистом по венчурным фондам и капиталам Бобом Суонсоном. Результатом встречи стала новая индустрия, названная биотехнологией.

Встреча эта состоялась по инициативе Боба Суонсона. Тому тогда было всего 29 лет, но он уже завоевал серьезную репутацию на финансовом рынке. Суонсон искал новые возможности для развития бизнеса и, доверяя своему естественнонаучному образованию, разглядел потенциал в новоиспеченной технологии рекомбинантной ДНК. Даже Стэнли Коэн тогда полагал, что до коммерческого применения этих разработок еще как минимум несколько лет. Сам Бойер не любил, чтобы его отвлекали, тем более люди в костюмах, которые всегда кажутся белыми воронами в академической среде, где принято носить футболки и джинсы. Однако каким-то невероятным образом Суонсон уговорил его выделить немного времени на эту пятничную вечернюю встречу.

Десятиминутная встреча, растянувшаяся на несколько часов, по ходу дела переместилась в близлежащий бар «Черчилль» и была сдобрена несколькими бокалами пива. Там Суонсон осознал, что преуспел в попытке разбудить дремавшего в Гербе Бойере скрытого предпринимателя. Еще в ежегоднике старшей школы в Дерри Боро за 1954 год было отмечено, что староста класса Бойер признался в своем желании «стать успешным бизнесменом».

Исходный посыл был невероятно прост: давайте рассмотрим, как при помощи технологии Коэна – Бойера можно производить белки, востребованные на рынке. Ген «полезного» белка – скажем, имеющеготерапевтическую ценность, такого как человеческий инсулин, – можно внедрить в бактерию, которая, в свою очередь, станет синтезировать этот белок. Далее останется просто нарастить производственные мощности от чашек Петри до промышленных чанов, а самим собирать готовый белок. Все просто в теории, но не на практике. Тем не менее Бойер и Суонсон были настроены оптимистично: оба выложили по пятьсот долларов, чтобы заключить соглашение о партнерстве и подтвердить намерения заняться этой новой технологией. В апреле 1976 года они создали первую в мире биотехнологическую компанию. Суонсон предлагал назвать фирму «Гер-Боб», чтобы упомянуть обоих основателей, но Бойер благоразумно отверг этот вариант, и компанию назвали Genentech, сокращенно от «генно-инженерные технологии».

Естественно, первый коммерческий проект Genentech был нацелен на производство инсулина. Диабетикам требуются регулярные инъекции этого белка, поскольку организм больного либо синтезирует слишком мало инсулина (как при диабете второго типа), либо вообще его не производит (как при диабете первого типа). Лишь после того, как в 1921 году было открыто, что инсулин регулирует уровень сахара в крови, диагноз «диабет первого типа» перестал звучать для больных как приговор. С тех пор производство инсулина для диабетиков превратилось в серьезную индустрию. Поскольку уровень сахара в крови практически одинаково регулируется у всех млекопитающих, человеку подошел инсулин от домашних животных – в основном от коров и свиней. Свиной и коровий инсулин несколько отличаются от человеческого: белковая цепочка человеческого инсулина состоит из 51 аминокислоты, свиной отличается от человеческого на одну аминокислоту, а коровий инсулин – на три. Иногда эти кажущиеся незначительными отличия могут давать вредные побочные эффекты: у пациентов может развиться аллергия на чужеродный белок. Биотехнологии открывали путь к устранению таких аллергических расстройств: позволяли обеспечить диабетиков настоящим, первоклассным человеческим инсулином.