Узнай о своих генах. Азбука для небиологов - Эррол К. Фридберг

* * *

Как только было твердо установлено, что генетический код представляет собой триплетный нуклеотидный код, неизбежно встал следующий вопрос: какие именно триплетные кодоны определяют конкретные аминокислоты? Первое экспериментальное свидетельство, отвечающее на этот вопрос, представил Маршалл Ниренберг.

Ниренберг родился в Нью-Йорке в семье Минервы Быковской и Гарри Эдварда Ниренберга, производителя рубашек. В детстве он заболел ревматической лихорадкой, и семья переехала в Орландо в штате Флорида, чтобы воспользоваться благоприятным субтропическим климатом. Ниренберг рано заинтересовался биологией и в 1948 году получил степень бакалавра, а в 1952 году – степень магистра биологии в Университете Флориды в Гейнсвилле. Его диссертация была посвящена таксономии и экологии майской мухи (Trichoptera). В 1957 году Ниренберг получил степень доктора (Ph.D.) биохимии в Университете Мичигана в Энн-Арборе.

После получения степени он учился в Институте артрита и болезней обмена веществ при Национальном институте здравоохранения (НИЗ) в качестве стипендиата Американского общества рака. В 1959 году он стал биохимиком в НИЗ и начал изучать процессы, которые связывают ДНК, РНК и белок. В 1962 году, благодаря своим новаторским экспериментам, Ниренберг возглавил отдел биохимической генетики в НИЗ (ныне это Национальный институт сердца, легких и крови), где вместе со своим научным сотрудником Генрихом Маттеи получил жидкие экстракты бактериальных клеток (их получают, раздавливая миллиарды целых клеток, и используют для выделения интересующего клеточного компонента и изучения биохимических реакций) и добавили короткий участок РНК, включающий только один тип оснований – урацил (UUUUUUU), называемый полиурацилом (поли(U)). Маршалл и его коллеги продемонстрировали, что поли(U) – РНК запускает синтез полипептидной цепочки, состоящей из одной аминокислоты фенилаланина. Благодаря подобным экспериментам с использованием нуклеотидов из разных оснований Ниренберг смог расшифровать, какие триплетные кодоны в ДНК кодируют каждую аминокислоту, входящую в полипептидную цепочку.

* * *

Одно из непременных условий профессиональной жизни ученого – это участие в научных конференциях в разных уголках мира. На таких мероприятиях ученые представляют результаты своих работ и знакомятся с презентациями других участников на интересующие их темы. В 1961 году в России (в Москве) состоялась Пятая международная конференция по биохимии. На ней собрались более 5000 ученых всего мира, в том числе Ниренберг. Он стремился представить результаты своих потрясающих экспериментов, которые позволили определить, какие кодоны вызывают появление конкретных аминокислот в процессе синтеза белка. Из-за большого числа ученых, представлявших свои работы на конференции 1961 года в Москве, презентации были запланированы в разных конференц-залах одновременно, что неизбежно во время крупных научных собраний. Поэтому участникам таких конференций в зависимости от сфер интересов приходится выбирать, какие именно доклады слушать. Кроме того, на Пятой международной конференции по биохимии наиболее важным презентациям было отпущено 20–30 минут, а остальным – до 10 минут. Ниренбергу «повезло»: ему дали 10 минут для доклада, на который пришло всего несколько десятков человек.

Рис. 6.6. Маршалл Ниренберг

В своей книге «Величайшие тайны жизни» Мэтью Кобб рассказывает о том, как признанный ученый из Гарварда Мэтью Мезельсон, присутствовавший на докладе Ниренберга, был настолько впечатлен его презентацией, что среди сотен ученых, заполнивших здание, где проходила конференция, умудрился разыскать Фрэнсиса Крика и сообщил ему сенсационную новость. Крик был председателем одной из научных сессий, назначенной на следующий день, с докладами длительностью 20–30 минут; услышав от Мезельсона содержание 10-минутного доклада Ниренберга, Крик пригласил Ниренберга представить свой доклад повторно на следующий день, выделив ему на этот раз 20 минут.

Мэтью Кобб приводит в своей книге такие слова Ниренберга: «Во второй раз я делал доклад перед очень большой аудиторией. Прием был замечательный, просто фантастический. Помню, Мэтт Мезельсон сидел в первом ряду. В то время я не был с ним знаком лично, но он был так рад выслушать мой доклад, что импульсивно вскочил, схватил меня за руку и обнял – как будто я солист культовой рок-группы!»

Теперь генетический код был полностью расшифрован, причем до такой степени, что стало понятно, какими триплетными кодонами в ДНК какие аминокислоты кодируются в растущей цепочке белка.

Глава 7

Сплайсинг генов

Вы удивитесь, но ваша ДНК не состоит из длинной непрерывной последовательности оснований, эксклюзивно кодирующих цепочки аминокислот, которые станут белком. Некодирующие участки ДНК, так называемые интроны, прерывают кодирующие участки – экзоны. Во время транскрипции, чтобы генерировать матричную РНК (мРНК), сначала весь ген транскрибируется в пре-мРНК, включающую и экзоны, и интроны. Во время процесса сплайсинга РНКК интроны удаляются из генома, а экзоны объединяются и образуют смежные кодирующие последовательности. И тогда зрелая мРНК готова к трансляции.

Экзон-интронная архитектура многих генов ставит интересный вопрос: выполняет ли какую-либо функцию эта уникальная биологическая организация или это просто результат распространения нефункциональных интронов в наших геномах, возникших во время эволюции? По ряду причин преобладают доказательства в пользу функциональности. С одной стороны, наличие интронов в геноме является значительной нагрузкой для клетки, поскольку сплайсинг (вырезание) интронов требует наличия в клетке сложных структур сплайсосом – больших комплексов клетки, включающих множество типов РНК и более 150 белков. Кроме того, процесс транскрипции интронов (перевод последовательностей ДНК в РНК) весьма энергозатратен. И, наконец, точное распознавание стыков сплайсинга сплайсосомой регулируется множеством элементов. Эта биохимическая сложность делает организм уязвимым для мутаций, которые в случае незначимости интронов не имели бы значимого влияние на клетку. На самом деле предположительно более 50 % генетических заболеваний человека вызываются нарушением нормальной модели вырезания интронов.

Зачем Природа создала интроны в нашей ДНК? С одной стороны, показано, что удаление интронов уменьшает количество мРНК в клетках, а значит, и количество произведенного белка. В некоторых случаях несущая интрон ДНК, полученная в лаборатории, экспрессирует почти в 400 раз больше мРНК, чем конструкты ДНК без интронов. С другой стороны, некоторые интроны настолько эффективны для повышения уровней экспрессии, что их обычно включают в конструкты ДНК, полученные в лаборатории, чтобы гарантировать высокие уровни экспрессии мРНК. Кроме того, альтернативный сплайсинг (сплайсинг разных участков гена) – это регулируемый процесс, позволяющий одному гену кодировать много разных белков; и это еще один пример изысканных биологических механизмов Природы.

Как вы помните, всего лишь 2 % нашей ДНК кодируют производство белков. Но для чего же тогда остальные 98 %? Хотите верьте, хотите нет, но в 2017 году нам пришлось признать, что мы этого не знаем! Было время, когда биологи полагали, что 98 % геномной ДНК ничего не делают, и даже в шутку называли ДНК «суррогатной»! Однако считать, что 98 % нашей ДНК абсолютно бесполезны, весьма неразумно: будь это так, ее бы давно