Глава 3. Общие правила регуляции

Книга: Закон «джунглей». В поисках формулы жизни

Дальше: Глава 4. Жиры, обратная связь и чудесный грибок

Итак, работа клетки изменяется в зависимости от ее потребностей. Клетка производит лишь то, в чем нуждается, и тогда, когда в этом нуждается.

Франсуа Жакоб

Не только в Великобритании были заинтересованы исследованием полюсов. В первой половине XX в. многие государства снаряжали экспедиции на крайний север и крайний юг планеты, руководствуясь стратегическими и экономическими соображениями, иногда – ради национального престижа, а порой и из научного любопытства.

Одиннадцатого июля 1934 г. трехмачтовый французский корабль под названием «Пуркуа па?» («Почему бы и нет?») вышел из порта Сен-Мало в Нормандии и отправился к ледяным берегам Гренландии. Среди членов команды был и прославленный исследователь-полярник Жан-Батист Шарко. Шарко учился на врача, но отошел от медицины и сделал себе имя как участник двух арктических экспедиций, профинансированных французским правительством: на кораблях «Франция» в 1903–1905 гг. и «Пуркуа па?» в 1908–1910 гг. Пришлось немало вынести: льды, штормы, морозы до 40 с лишним градусов, длинная полярная ночь. Но Шарко открывал новые земли, нанес на карту более 1800 миль материкового и островного побережья, стал национальным героем и вызывал у коллег-исследователей неподдельное восхищение. После Первой мировой войны он заинтересовался Арктикой. Это путешествие было 25-й полярной экспедицией в карьере 67-летнего исследователя, причем он уже в десятый раз отправился к Гренландии.

Рис. 3.1

Корабль «Пуркуа па?» в Гренландии

Снимок Жака Моно, © Институт Пастера/Архив Жака Моно

Команда корабля состояла из 35 человек, все они были добровольцами. Кроме того, на борту были шестеро студентов, четверо из которых сошли на берег близ деревни Ангмагссалик, где собирались прожить год среди эскимосов, занимаясь этнографическими исследованиями. Еще двое планировали вести научную работу на борту и на берегу – одним из них был 24-летний Жак Моно.

Моно вырос близ знаменитого приморского курорта Канны. Он был опытным яхтсменом, но по сравнению с командой Шарко – просто дилетантом. Ранее ему не доводилось бывать в таких морях, куда сейчас лежал путь. Молодой зоолог отложил исследования, которыми занимался в парижской Сорбонне, сочтя за честь присоединиться к группе Шарко и отправиться в двухмесячное плавание по Арктике, что было для него настоящим приключением. Его обязанности были приблизительно теми же, что и у Элтона с соотечественниками, – собирать образцы.

Спустя 12 дней после выхода из Франции корабль причалил к окутанным туманом Фарерским островам. Подремонтировав поврежденный бойлер, команда взяла курс на Исландию, откуда, пополнив запасы угля, корабль направился в Гренландию. По пути Моно, бросая за борт невод, постоянно собирал планктон – мелких рачков, морских червей и личинок. Корабль уходил во все более высокие широты, с каждым градусом воздух становился холоднее, а на пути встречалось все больше льда. Когда судно подошло к заливу Скорсби на восточном побережье Гренландии, путь ему преградили ледовые поля. Пять дней корабль медленно продирался через них, дозорный в «вороньем гнезде» выискивал проходы между льдин, которые иногда закрывались столь же быстро, как и возникали, а другие члены команды на корме отталкивали льдины, чтобы те не повредили винт.

Когда Моно наконец высадился на берег, у него было всего три дня на сбор образцов прибрежной морской фауны, а затем корабль уходил в Ангмагссалик (ныне – Тасиилак). Моно с товарищем хотели пособирать породы и минералы, для этого стали подниматься в горы по берегам фьорда. Моно, страстный скалолаз, был очарован всем, что перед ним открывалось. «Я видел столько всего красивого и невероятного! – писал он родителям. – Дорогие мои, если бы вы знали, насколько я поражен, просто дух захватывает!»

Запасы угля на корабле иссякали, требовалось отправиться в Исландию и пополнить их. Корабль то и дело сотрясали ураганные ветры. Приходилось лавировать между айсбергами в условиях плохой видимости, но Шарко решил, что путь нужно продолжать во что бы то ни стало, так как уголь был на исходе. Команде удалось добраться до Рейкьявика, загрузить корабль углем и добраться домой без происшествий.

Моно опубликовал предварительный отчет о своих коллекциях и наблюдениях, но, увы, ему не довелось стать биологом-полярником. Через два года его вновь пригласили на «Пуркуа па?», отправлявшийся в новую экспедицию к Гренландии. Моно был склонен согласиться, но в последний момент передумал и отправился в Калифорнийский технологический институт изучать генетику в лаборатории нобелевского лауреата Томаса Ханта Моргана.

Это решение оказалось для Моно очень удачным. Пятнадцатого сентября 1936 г. «Пуркуа па?» вновь остановился в порту Рейкьявика, пережидая шторм, – корабль пришел из Гренландии, куда доставлял припасы. Затем судно отправилось домой, но через несколько часов попало в жестокий шторм. Рано утром 16 сентября косые паруса судна были изорваны в клочья, а затем корабль потерял фок-мачту и радиоантенну. Искалеченный парусник лег в дрейф, пошел боком и разбился о рифы. Шарко, а вместе с ним все, кроме одного, члены экипажа (43 человека) погибли в студеном бурном море.

К счастью для биологии, Моно сохранил жизнь. Хотя он и ничего не открыл, будучи в Калифорнии, позже Моно стал одним из основателей новой дисциплины – молекулярной биологии. Ему и его коллегам предстояло открыть первые общие законы регуляции жизни на молекулярном уровне, и именно благодаря этим открытиям Моно вновь отправился на север – в Стокгольм, получать Нобелевскую премию.

Но сначала ему предстояло пережить длительную смертоносную бурю.

Рост… прерывается

После работы в Калифорнии Моно вернулся в Париж, где возобновил исследования в Сорбонне, пытаясь определить такую научную проблему, решение которой позволило бы ему претендовать на соискание докторской степени.

Биология тогда занималась достаточно простыми вопросами, ведь так мало было известно о процессах, происходящих в живых клетках. Одна из основных характеристик, присущих всем клеткам, заключалась в том, что они размножаются делением. Сами вопросы были весьма «элтоновскими»: какие питательные вещества нужны клетке? От чего зависит количество клеток?

Прежде чем отправиться в Калифорнию, Моно уже начал эксперименты в этой области. Но первыми организмами, которых он взялся изучать, были одноклеточные простейшие, которые очень плохо росли в лабораторных условиях – неважный материал для исследования. Андре Львов, микробиолог, работавший поблизости в Институте Пастера, предложил Моно поработать с бактериями, которые очень хорошо выращиваются в культурах и очень быстро делятся.

Прежде исследователи готовили «мясные бульоны» для выращивания бактерий из малопитательных ингредиентов. например из перетертого говяжьего мозга. Первым достижением Моно стало то, что он приготовил «бульон» из тщательно подобранных компонентов. Для этого он поставил ряд экспериментов, систематически меняя практически все ингредиенты по очереди и отслеживая, как это сказывается на росте бактерий. Один из первых его значимых результатов заключался в следующем: Моно показал, что степень бактериального роста прямо пропорциональна объему доступного источника энергии, содержащего углерод (речь о сахаре, например о глюкозе или манните). Это наблюдение позволяло вывести очень простую зависимость между питанием и ростом: бактерии перерабатывали доступную пищу и благодаря этому размножались.

Летом 1939 г. Моно плодотворно работал, но над Европой вновь нависли тучи войны. Как и многие французы, Моно не замечал надвигавшейся беды. Тридцать первого августа 1939 г. он писал отцу: «Войны не будет. Гитлер понимает, во что она ему обойдется». На следующий день Германия вторглась в Польшу, в ответ Франция и Великобритания объявили войну Германии.

Война между Францией и Германией началась не сразу – шли дни, недели, затем потянулись месяцы без боев. Моно беспокоился, что если военные действия действительно начнутся, то его призовут на какую-нибудь постылую нестроевую службу, учитывая, что ему было уже 30. Моно хотел использовать свой научный талант и принести реальную пользу, поэтому решил покинуть Сорбонну и записаться в армию на должность офицера связи.

Только Моно прошел начальную подготовку, как наконец разразилась война – 10 мая 1940 г. Германия предприняла масштабное наступление в Нидерландах, Бельгии и Северной Франции. Французская армия была разбита за считаные дни; полк Моно даже не успел выдвинуться из части, когда все было практически кончено. Моно вновь повезло – он не стал военнопленным. После капитуляции Франции он вернулся домой и возобновил исследования в оккупированном немцами Париже.

Что по вкусу бактериям?

В 30 лет Моно был уже староват для аспиранта. Он отчаянно пытался найти научную проблему, которая позволила бы ему закончить работу над диссертацией. Моно провел множество экспериментов, изучая рост бактерий в питательных средах, содержащих те или иные сахара. Осенью 1940 г. он решил исследовать, что произойдет, если предложить бактериям различные комбинации сахаров.

Изобразив на графике изменение концентрации бактерий с течением времени, Моно заметил знакомые кривые роста, напоминавшие те, что были получены при работе с одним видом сахара. На этих кривых прослеживались три характерных этапа: краткая латентная фаза, после которой следовала фаза экспоненциального роста бактерий (их численность удваивалась раз в полчаса-час) и, наконец, фаза стабильности, когда численность бактерий прекращала расти. Но при определенных комбинациях сахаров кривая приобретала иную форму. В ней прослеживалось две фазы роста, между которыми наблюдалась еще одна фаза задержки (рис. 3.2).

Озадаченный Моно показал свои кривые «двойного роста» Львову. Старший коллега задумался, а затем сказал: «Это может быть как-то связано с ферментной адаптацией».

Рис. 3.2

Открытая Моно кривая двойного роста. Когда бактерии выращивались в глюкозе и маннозе, наблюдалась ровная кривая (слева), но когда их выращивали в глюкозе и мальтозе, сначала бактерии размножались экспоненциально, затем наступала небольшая пауза (указано стрелкой), после чего экспоненциальный рост возобновлялся (справа). Эта пауза и вторая часть растущей кривой стали основой для диссертации Моно и в итоге привели его к Нобелевской премии

Рисунок Лиэнн Олдз на основе оригинального материала из лабораторных заметок Жака Моно

«Ферментная адаптация? Никогда о ней не слышал», – ответил Моно.

Львов дал Моно несколько старых статей, в которых описывался следующий феномен: бактериальные или дрожжевые клетки приспосабливаются к присутствию питательного вещества, вырабатывая фермент, который его расщепляет. Фазы задержки на кривых Моно, возможно, соответствовали тому времени, которое требовалось микробам для адаптации к каждому типу сахара. Но оставалось полнейшей тайной, как простейшие микробы «узнавали», что нужно вырабатывать определенный фермент в ответ на присутствие того или иного вещества. Моно сразу же решил взяться за разгадку этой тайны.

Моно обнаружил, что очертания второй кривой роста зависели от того, какой именно сахар применялся в опыте. Таким образом, бактерии предпочитали одни сахара другим. Они были готовы с ходу питаться одними сахарами, но им требовалось время, чтобы адаптироваться к менее подходящим сахарам, выработать ферменты, необходимые для их усвоения. Моно подозревал, что двойная кривая роста возникает по такой причине: сначала бактерии расходуют весь более питательный сахар, затем, после небольшого перерыва, адаптируются к потреблению другого, не столь вкусного сахара.

Чтобы проверить эту гипотезу, он просто варьировал содержание определенных сахаров в разных экспериментах. Моно рассуждал, что если его версия верна, то длина фаз роста при потреблении каждого из сахаров будет соответствующим образом изменяться. Именно это он и увидел.

Львов впечатлился умением Моно разрабатывать такие прицельные эксперименты, позволявшие проверить любой интересовавший его аспект. Сорбонна присудила Моно ученую степень, однако научный совет заявил: «Работы Моно Сорбонне неинтересны».

Моно надеялся изучать ферменты, синтезируемые бактериями в ответ на присутствие тех или иных сахаров, но прежде, чем ему удалось добиться какого-либо результата, его работа вновь была прервана. Немецкая оккупация продолжалась, накалялась обстановка в Париже, и там становилось все опаснее находиться Одетте, супруге Моно, поскольку она была еврейкой. Она покинула столицу и вместе с детьми отправилась в более спокойное место на юге Франции. Моно полагал, что с высадкой союзников в Европе начнется вторая битва за Францию, поэтому примкнул к одной из наиболее воинственных групп французского Сопротивления – «Франтиреры и партизаны» (FTP).

Моно стал заниматься разведкой и координировать поставки оружия от союзников. Много месяцев Моно вел двойную жизнь, будучи ученым Сорбонны и агентом Сопротивления, – даже прятал компрометирующие документы в ноге у чучела жирафа рядом с лабораторией. Но по мере того, как немцы все жестче наседали на Сопротивление, а некоторых командиров и соратников Моно арестовали и пытали, ему стало слишком опасно работать в Сорбонне и даже ночевать дома. Львов предложил Моно укрыться в Институте Пастера, где ему удалось продолжить эксперименты еще несколько месяцев. В конце концов Моно пришлось отказаться от лабораторной работы. Он окончательно ушел в подполье, изменил внешность и стал бывать только на конспиративных квартирах (рис. 3.4).

Рис. 3.3

Пропорции каждой части двойной кривой роста зависят от соотношения двух сахаров. Когда Моно смешивал два сахара в долях 1:3, 2:2 и 3:1, первая часть кривой роста пропорционально удлинялась, а вторая укорачивалась. Таким образом, бактерии потребляли сначала один вид сахара, а затем второй

Из работы Моно (1942), адаптировано Лиэнн Олдз

Рис. 3.4

Удостоверение Жака Моно, участника французского Сопротивления, 1944 г. Моно носил звание команданта FFI. Пользовался псевдонимом Маливер, так как члены Сопротивления не могли действовать под настоящими именами

Документ публикуется с разрешения Оливье

Моно дослужился до офицерского чина в национальной организации Сопротивления «Французские внутренние войска» (FFI), в составе которой участвовал в координации саботажа и даже в казни предателей-коллаборационистов. Моно был одним из командиров, участвовавших в битве за освобождение Парижа в августе 1944 г. Затем он служил офицером французской армии вплоть до капитуляции Германии.

Какие законы управляют регуляцией ферментов?

Война отняла шесть лет у Моно, его семьи и родины. Когда она наконец закончилась, Моно стремился оставить эти темные времена в прошлом, поэтому с головой окунулся в исследования. Львов предложил ему штатную должность в Институте Пастера, и Моно согласился.

Он вернулся к той работе, которую прервала война. Ферментная адаптация крайне привлекала его своей логичностью: как бактерия, столь крошечная, едва различимая в микроскоп, не имеющая никакой нервной или эндокринной системы, – просто пузырек с химическими веществами, заключенными в мембрану, – «узнавала», какой именно фермент производить для переработки имевшегося сахара?

Ферменты – это белки, а клетки синтезируют сотни различных белков. Моно понял, что этот вопрос, в сущности, является вопросом регуляции: как клетка «решает» производить в конкретных условиях какой-то определенный фермент, но не другие?

Моно верил, что его исследования регуляции бактериальных ферментов позволят разобраться отнюдь не только в гастрономических пристрастиях микробов-сладкоежек. Он понимал, что отличия между разными типами клеток в организмах более сложноорганизованных существ также определяются регуляцией. Например, эритроциты синтезируют белковую часть гемоглобина, транспортирующего кислород, а лейкоциты синтезируют белки антител, борющихся с инфекциями. Моно полагал, что, если понять, почему и как бактерия синтезирует определенный фермент, это поможет пролить свет на образование различных типов клеток.

Чтобы хоть немного проникнуть в эту тайну, он решил сосредоточиться на одном сахаре – это был молочный сахар лактоза – и исследовать одного «ключевого игрока» – бактериальный фермент, разлагающий лактозу на галактозу и глюкозу. Этот фермент называется β-галактосидазой. Бактерии предпочитают извлекать энергию из простых сахаров. Чтобы использовать лактозу – соединение, состоящее из двух сахаров, глюкозы и галактозы, – эту молекулу требуется расщеплять надвое.

В конце 1940-х и начале 1950-х молекулярная биология только зарождалась, было сложно понять, как ставить большинство экспериментов. Моно и его группа превосходно разрабатывали технологии, позволявшие интерпретировать различные возможности. Основное наблюдение заключалось в следующем: фермент начинал образовываться благодаря присутствию сахара. Возможное объяснение было таким: сахар каким-то образом активировал фермент, непосредственно связываясь с уже имеющейся неактивной формой фермента в бактериальной клетке и преобразуя этот фермент в активную форму. Разработав ряд умных и технически нетривиальных экспериментов, Моно с коллегами отбраковали эту идею.

Опыты Моно показали, что лактоза жестко регулировала производство фермента. Когда E. coli росла в отсутствии лактозы, во всей клетке можно было найти всего несколько молекул фермента β-галактосидазы. Стоило добавить лактозу, и всего за несколько минут в одной клетке появлялось уже несколько тысяч таких молекул. При удалении сахара синтез фермента прекращался (рис. 3.5). Такое включение и выключение производства фермента непонятным образом зависели от присутствия или отсутствия сахара. Принято говорить, что сахар является индуктором синтеза фермента.

Со стороны бактерии это было весьма логично: она синтезировала фермент только при наличии лактозы (источника пищи) и не тратила энергию на производство фермента впустую, когда лактозы вокруг не было. Но как работала эта логика?

Моно несколько лет не удавалось уловить законы регуляции синтеза ферментов. На то было две причины. Во-первых, у него существовало предубеждение насчет того, как может работать логика регуляции. Простое наблюдение показывало: бактерия синтезирует фермент в присутствии сахара, индуктора. Моно и его коллеги продолжали воспринимать индуктор как нечто положительно контролирующее синтез ферментов (здесь и далее схематически изображается стрелкой →).

Чтобы совершить прорыв, им оставалось открыть еще одного «ключевого игрока» и прийти к обратной логике.

Я объясню, как они в итоге во всем разобрались, но верная логика настолько важна для понимания регуляции и всей книги, что я не хотел бы, чтобы вы увязли в этих экспериментальных деталях и упустили общую картину. Поэтому сразу расскажу вам, о чем не догадывался Моно и как лактоза регулирует синтез ферментов. Затем вернусь к этому месту и опишу, как Моно с коллегами во всем разобрались.

Тем «игроком», которого требовалось открыть Моно, был другой белок, действующий в качестве посредника между ферментом и лактозой. Этот белок называется репрессором, так как его задача заключается именно в угнетении синтеза фермента β-галактосидазы. Такая обратная логика осознается, как только понимаешь, что лактоза не оказывает прямого положительного контроля на синтез фермента. На самом деле лактоза ингибирует репрессор, который в таком случае прекращает угнетать синтез фермента.

Рис. 3.5

Индуцирование синтеза фермента. Когда индуктор, например лактоза, добавляется в популяцию E. coli, синтезируется фермент β-галактосидаза. При удалении индуктора синтез фермента останавливается

Из работы Моно и Жакоба (1961), перерисовано Лиэнн Олдз

Логика такова: минус на минус дает плюс.

Закон двойного отрицания при ферментной регуляции имеет огромный биологический смысл: в отсутствии лактозы фермент, расщепляющий сахар, не нужен, и репрессор не дает синтезировать фермент (ниже и далее в книге отрицательная регуляция обозначается символом ┴); если лактоза присутствует, то она ингибирует репрессор; таким образом, ген фермента включается, фермент расщепляет сахар и обеспечивает клетку энергией.

Такая красивая логика и экономия у простейшей бактерии.

Чуть ниже я подробно расскажу, как работает репрессия, но, на мой взгляд, важность ферментной регуляции здесь и далее в контексте книги заключается не в тонкостях, а в логике как таковой. Прорыв удалось совершить, как только ученые начали мыслить непредвзято. Наблюдая какой-либо феномен, мы склонны выбирать наиболее прямолинейное объяснение, где цепочка причинно-следственных связей состоит из минимального количества звеньев. Если мы видим, как машина едет по улице, то считаем, что водитель жмет газ, а не отпускает тормоз.

Когда наличие A (например, сахара) приводит к появлению B (фермента), мы логически выводим положительную связь: A вызывает B. Нужно подключить воображение, чтобы представить себе иное объяснение: A ингибирует нечто третье (репрессор), который в свою очередь ингибирует B.

Но оказывается, что жизнь – от молекулярного уровня вплоть до экологического – обычно управляется более длинными цепочками причинно-следственных связей, чем кажется на первый взгляд, с большим количеством звеньев. Нужно знать каждое из этих звеньев и природу взаимодействий между ними, чтобы по-настоящему понимать законы регуляции и уметь вмешиваться в их работу.

Чтобы открыть репрессор и понять логику ферментной регуляции, Моно требовалось выйти из плоскости.

Открытие репрессора

Новый подход заключался в использовании генетики. Допустим, вас интересует, как приобретается какой-либо видимый признак, например розовый оттенок цветка. Можно найти ответ методом биохимии: растереть цветок и попытаться выделить все его ферменты, благодаря которым розовый оттенок возникает на материале простых химических веществ. Этот метод сложный и длительный.

Либо можно использовать генетику. Берем семена нескольких растений с розовыми цветами, выращиваем тысячи цветов и ищем среди них те немногие, лепестки которых оказались не розовыми, а, например, белыми. У каждого такого цветка имеется генетический дефект, мутация в гене, отвечающем за розовый цвет лепестков. Затем займемся изучением этих генов.

Значительное преимущество генетического подхода заключается в том, что он объективен, и нам достаточно просто взглянуть на цветы, чтобы найти растения с мутациями в интересующих нас генах. Мы не делаем никаких предположений о количестве «игроков» и о том, что они делают. Генетический метод позволяет обнаружить «игроков», к примеру, не являющихся ферментами. Катализатором многих важнейших прорывов в биологии и медицине за последние полвека оказался генетический метод. В следующих двух главах я приведу два важных примера такого рода из области медицины.

Моно с коллегами искали у бактерий такие мутации, которые нарушали синтез β-галактосидазы. Они выделили два типа мутантов. У первых синтезировался дефективный фермент β-галактосидаза, что было связано с мутациями в самом гене, кодирующем этот фермент. Такие мутации были ожидаемы. Но особенно интересны были мутации второго типа: мутантные бактерии синтезировали фермент и в отсутствие лактозы. Они производили фермент все время (конститутивно), независимо от наличия лактозы. У этих мутантов была нарушена нормальная регуляция синтеза фермента, механизм «включения» и «выключения». Конститутивные мутации возникали не в гене фермента, а в другом гене, но каким-то образом нарушали ферментную регуляцию.

Понимание того, как действует этот «игрок», стало ключом к пониманию ферментной регуляции. Но сперва Моно был озадачен. Он попытался интерпретировать конститутивных мутантов сквозь призму индуктора, действующего в качестве положительного регулятора синтеза фермента. Ученый рассуждал, что если мутантная бактерия не нуждалась в индукторе, чтобы синтезировать фермент, то мутанты должны сами синтезировать «внутренний» индуктор β-галактосидазы. Ошибку в логике Моно удалось обнаружить только после того, как к работе подключился новый человек.

Открытие закона двойного отрицания

Этим человеком стал Франсуа Жакоб. До войны Жакоб планировал стать хирургом, но его карьера рухнула после тяжелого ранения в Нормандии, которое он получил, будучи фронтовым врачом. Тогда Жакоб занялся наукой и по счастливой случайности оказался в лаборатории Львова, совсем рядом с Моно. Жакоб изучал другой феномен: он интересовался тем, как бактериальным вирусам удается подолгу скрываться внутри бактерий, пока какой-нибудь фактор не спровоцирует взрывное размножение такого вируса. Достаточно скоро Жакоб разработал важные методы изучения бактериальных генов. Он присоединился к Моно в 1957 г., и его новый инструмент генетического характера наконец-то позволил разгадать логику ферментной регуляции.

В отличие от людей и большинства животных, у которых имеется по две копии каждой хромосомы (по одной от каждого из родителей) и по две копии большинства генов, у E. coli каждая хромосома и каждый ген присутствуют в одном экземпляре. Одним из передовых приемов, которым стал пользоваться Жакоб, стала передача генов от бактерии к бактерии. Таким образом ему удалось получить бактерии с дополнительными копиями генов и проверить, как влияет на бактерию смешивание мутантных генов с обычными. Если Моно был прав насчет конститутивных мутантов, то при совмещении в одной бактериальной клетке нормальной и мутантной копии гена должен был образовываться внутренний индуктор, что привело бы к постоянному синтезу фермента.

Но когда Жакоб и прикомандированный американский ученый Артур Парди поставили такой опыт, они получили прямо противоположный результат: чтобы синтезировать фермент, бактерии требовался индуктор (лактоза). Сначала исследователи растерялись. Может быть, они допустили какую-то техническую ошибку? Но дело было не в этом: повторные эксперименты давали аналогичный результат.

Если технических ошибок не было, то, возможно, были логические. Действительно, именно на это указал Моно и Жакобу Лео Сцилард, физик, ставший биологом и часто наведывавшийся в Институт Пастера. Может быть, они неверно понимали индуктор? Может быть, индуктор не запускает синтез фермента напрямую, как полагал Моно, а ингибирует отрицательный регулятор синтеза фермента?

Бинго. Закон двойного отрицания все ставил на свои места.

Конститутивные мутанты не синтезировали внутренний индуктор, просто у них в ферментной регуляции не хватало одного звена – репрессора синтеза фермента. Из-за отсутствия репрессора мутанты могли непрерывно синтезировать фермент без индуктора. А когда у бактерии была одна рабочая копия гена репрессора и одна – мутантная, рабочая копия доминировала и угнетала синтез фермента до тех пор, пока не поступал индуктор.

Как только Моно и Жакобу удалось избавиться от ошибочной трактовки, предполагавшей простые причинно-следственные связи, они стали мыслить по-новому и обнаружили закономерности, которые ранее не могли заметить ни они, ни кто-нибудь еще.

Однажды воскресным вечером Жакоб с женой смотрел фильм в парижском кинотеатре. В какой-то момент он отвлекся и погрузился в мысли о тайне, которую пытался разгадать уже много лет. В некоторых бактериях находились скрытые вирусы, которые могли обнаружить себя под действием ультрафиолета. Жакоб не мог понять, как действует этот механизм. Идея о возможной связи между тем, чем занимается Жакоб, и исследованиями Моно, осуществляемыми в другом конце коридора института, никому и в голову не приходила. По крайней мере до тех пор, пока в темноте кинозала перед мысленным взором Жакоба не возник вирус, каким-то образом упакованный со всем множеством своих генов внутри бактерии.

Тут ученого осенило: активация вируса подчинялась той же логике, что и двойной отрицательный механизм индуцирования ферментов. Вероятно, вирусные гены также угнетались репрессором до тех пор, пока этот репрессор не разрушался или не исчезал под действием ультрафиолета, что позволяло включиться вирусным генам.

То, что представлялось положительной активацией, на деле опять оказалось ингибированием репрессора.

Получив в качестве подтверждения два, казалось бы, совершенно разных феномена, Моно и Жакоб предположили, что в клетке присутствуют белки двух основных типов: структурные (например, ферменты, катализирующие химические реакции в клетках, или белки, образующие части вируса) и регуляторные (контролирующие, какие структурные белки будут или не будут синтезироваться в зависимости от условий). Итак, на уровне регуляции не все белки равны. Некоторые белки нужны для контроля над другими. Моно теперь мог всегда определить отрицательную регуляцию и найти ее другими способами.

Обратная связь

Бактерии и другие организмы способны не только расщеплять питательные вещества на полезные соединения, но и синтезировать важные соединения из более простых компонентов. Белки, осуществляющие всю работу в живом организме, состоят из «кирпичиков», называемых аминокислотами. Если выращивать бактерии в простом растворе, где содержится два источника углерода – глюкоза и углекислый газ, – то они могут синтезировать все 20 аминокислот.

Однако если предложить бактерии конкретные аминокислоты, то синтез других аминокислот быстро прекращается. Такая стремительная реакция подсказывает, что при изобилии определенной аминокислоты бактерия активирует особый механизм, останавливающий работу синтезирующих ее ферментов.

В 1950-е многие биохимики напряженно пытались определить, какими способами синтезируются различные аминокислоты. Они обнаружили, что синтез каждой аминокислоты обычно «включает» многоэтапный «путь», на котором первичный химический предшественник (P) изменяется в ходе последовательных реакций с участием ферментов и превращается в аминокислоту. Эти «пути» схематически изображаются как цепочки последовательно возникающих продуктов реакций (I1, I2 и т. д.), причем продукт каждой реакции возникает под действием отдельного фермента.

Р → I1 → i2… → аминокислота

Например, удалось установить, что если предоставить бактериям аминокислоту триптофан, то останавливается синтез промежуточного вещества. Это означает, что триптофан действует на фермент, находящийся в начале «пути». Аналогичным образом выяснилось, что при наличии аминокислоты изолейцина также ингибируется действие первого фермента в его синтетическом «пути».

Благодаря этим открытиям появилась концепция отрицательной обратной связи, согласно которой соединения реагируют на собственный синтез, и тем самым осуществляется контроль уровня веществ в клетках. Впоследствии изучение всевозможных биосинтетических «путей» показало, что отрицательная обратная связь не просто распространена, но и практически всегда осуществляется последним компонентом биохимического «пути», ингибирующим первый фермент данного «пути».

Подобно закону двойного отрицания индуцирования ферментов, закон отрицательной обратной связи в биохимических «путях» также имеет огромный биологический смысл: при переизбытке конечного продукта биохимического «пути» клетки не тратят энергию на синтез этого вещества или каких-либо промежуточных продуктов, но, когда концентрация низка, механизмы синтеза не ингибируются, и клетка получает нужный продукт.

Эти первопроходческие исследования бактерий выявили четыре основных способа, которыми одни молекулы могут влиять на множество молекул другого вещества. Эти способы базируются на наборе общих правил и на логике регуляции, которая, как мы увидим, управляет разнообразными процессами в живых организмах (если хотите, сделайте закладку на этой странице).

ОБЩИЕ ПРАВИЛА РЕГУЛЯЦИИ И ЛОГИКА ЖИЗНИ

Второй секрет жизни

Открытие репрессоров и ингибирования по типу обратной связи подогрело интерес к следующей проблеме: как именно два этих вида регуляции действуют на молекулярном уровне. Что именно делает репрессор? Как действуют индукторы? Как осуществляется обратная связь?

Однажды поздним вечером осенью 1961 г. Жак Моно вошел в лабораторию к своей коллеге Агнес Улльманн. Моно, обычно одетый с иголочки, энергичный, выглядел усталым и обеспокоенным, его галстук был расслаблен. Выдержав некоторую паузу, он сказал Улльманн: «Думаю, я открыл второй секрет жизни».

Улльманн подумала, что Моно выглядит неважно, поэтому предложила ему присесть и выпить виски – это был любимый напиток Моно. Пропустив один-два стаканчика, Моно встал и пустился в долгие объяснения. Он был не болен. В отличной форме. Моно еще раз рассмотрел многолетние наблюдения репрессии и ингибирования по типу обратной связи и наконец предложил унифицированное объяснение обоих феноменов.

Моно совершил этот прорыв, зарисовав контуры и размеры молекул. Он размышлял о ферменте, который тогда исследовали у него в лаборатории. Ферменты – это крупные белки, их молекулы более чем в 100 раз превосходят по размеру молекулы тех веществ, на которые они воздействуют (так называемые субстраты), – например, молекулы сахаров или аминокислот. Подобно тому как ключ входит в замок, субстрат плотно входит в просвет фермента, именуемый активным центром, где он расщепляется или видоизменяется.

Фермент, изучением которого тогда занимался Моно, является первым веществом в биохимическом «пути», приводящем к синтезу аминокислоты изолейцина. Он воздействует на субстрат под названием «треонин» и ингибируется изолейцином – конечным продуктом данного биохимического «пути». Моно пытался понять, как маленькая молекула изолейцина может вклиниться в активный центр фермента и выключить его. Но тут его осенило: изолейцин совсем не похож по форме на треонин. Может быть, он просто не влезает в эту полость?

Затем Моно подумал о других ферментах, ингибируемых по типу обратной связи, и осознал, что с ними происходит то же самое: они ингибируются молекулами, очень отличающимися по форме от молекул субстратов. Что бы это значило? Моно понял, что место, к которому прикрепляется ингибитор, не должно совпадать с активным центром. В ферменте – «замке» – должно быть две «скважины»: одна – для субстрата, и одна – для ингибитора.

Каким-то образом связывание с ингибитором изменяло форму фермента таким образом, что он больше не мог связываться со своим субстратом («скважина» закрывалась). Моно назвал этот феномен аллостерией (от греческих слов «allos» – «другой» и «stereos» – «пространственный, объемный»). Ученый считал аллостерию важным механизмом, регулирующим работу белков (рис. 3.6, вверху).

В тот памятный вечер вся мозаика сложилась. Индуктор и репрессор действовали по тому же принципу, что и обратное ингибирование, – путем аллостерии. Репрессор также должен был иметь два активных центра: один – для связывания ДНК, другой – для индуктора. Когда индуктор отсутствует, репрессор связывается с ДНК и таким образом выключает ген; когда индуктор есть и связывается с репрессором, физическая форма репрессора из-за этого изменяется, репрессор не может связаться с ДНК, и это позволяет гену включиться (см. рис. 3.6, внизу).

Моно мог двумя путями доказать простую, но великую унифицирующую идею: мелкие молекулы (аминокислоты, индукторы) управляют формой и активностью крупных молекул (белков). Объединив два, казалось бы, неродственных феномена – репрессию ферментов и ингибирование по типу обратной связи, – Моно определил потенциальные общие принципы. Аллостерия, например, позволяла объяснить, как небольшие молекулы гормонов или нейротрансмиттеров регулируют работу эндокринной и нервной системы. Моно, потрясенный вероятными масштабами этой идеи, отправился к Улльманн, чтобы услышать ее мнение.

Рис. 3.6

Аллостерия – основа ингибирования по типу обратной связи и индукции ферментов. Сверху: субстрат входит в активный центр фермента; ингибитор – в другую щель. Когда ингибитор прикрепился, форма активного центра видоизменяется таким образом, что субстрат в него больше не входит. Снизу: один центр репрессора связывает ДНК, другой – лактозу. Когда лактоза прикрепится, форма репрессора изменяется, и он больше не связывает ДНК, поэтому может включиться ген фермента

Иллюстрация Лиэнн Олдз

Тогда как ДНК была первым секретом жизни, аллостерия, вероятно, была вторым, поскольку позволяла понять, как регулируется работа генов и белков. Нобелевский комитет счел это, как и все остальные открытия Моно и Жакоба, достойным Нобелевской премии по физиологии и медицине, которая и была присуждена им в 1965 г.

E. coli и слоны

Важность исследований Моно и Жакоба определялась не конкретными деталями разгадки тайны регуляции фермента β-галактосидазы у E. coli. Сила их идей, как и идей Элтона и Кеннона, заключалась в оригинальности и универсальности открытых учеными законов регуляции.

Подобно тому как Элтон представил экосистему в качестве сообщества организмов, взаимодействующих друг с другом при помощи пищевых цепей, а Кеннон – тело как систему органов, связанных на уровне нервной и эндокринной системы, Моно и Жакоб изобразили клеточную жизнь как «сообщество макромолекул, объединенных сложной системой коммуникаций, регулирующих одновременно и синтез, и активность этих молекул».

Моно и Жакоб живо и ярко объяснили, каково значение их открытий, сделанных исключительно при изучении одноклеточных бактерий, для понимания сложных феноменов в жизни гораздо более сложных организмов. Мастерски объединив все, что было изучено к 1961 г., они афористично отметили: «Существует аксиома: все, что подтверждается для E. coli, должно подтверждаться и для слона».

Это было скорее смелое желание, чем проверенный и общепринятый факт, что, однако, не мешало их рассуждениям. Признавая, что регуляция в высших организмах должна быть «неизмеримо» более сложной, они предполагали:

С другой стороны, представляется очень маловероятным, что основные механизмы, выявленные у низших форм, – аллостерическое ингибирование, индуцирование и репрессия – не должны присутствовать у дифференцированных организмов. Понятно, что эти механизмы по природе своей могут быть адаптированы к самым разнообразным ситуациям и могут служить для самых разных целей у E. coli и у человека.

Не только эти механизмы, но и закон отрицательной регуляции представлялась Моно и Жакобу предельно важной для высших организмов. Понимая, что раковые клетки теряют чувствительность к «условиям, контролирующим клеточное деление в здоровых тканях», они предполагали, что онкологические заболевания могут быть обусловлены генетическими мутациями или иными факторами, отключающими репрессор, который управляет делением клеток.

Как мы сможем убедиться в главах 4 и 5, их размышления не просто оказали значительное влияние на развитие науки, но и явились провидческими.

Назад: 02 Логика жизни

Дальше: Глава 4. Жиры, обратная связь и чудесный грибок