Расшифровка генетического кода
Роберт Холли
Хар Корана
Маршалл Ниренберг
В истории Нобелевской премии по физиологии или медицине почти нет примеров, когда за короткий промежуток времени премия присуждалась бы за одно и то же направление медицины несколько раз. Отбирая номинантов, Нобелевский комитет рассматривает множество открытий и исследований. Он старается уделить внимание всем медицинским специальностям и не забывает при этом о физиологии. Исключением стала молекулярная биология. За десятилетие, начавшееся в 1958 году, в этой области было получено целых пять премий. Самой важной из них стала, пожалуй, премия, врученная в 1968 году Роберту Холли, Хару Корану и Маршаллу Ниренбергу за «расшифровку генетического кода и его функции в синтезе белков».
Но история расшифровки кода началась за 100 лет до этого, когда молодой врач из Швейцарии Фридрих Мишер выделил из ядра клетки новый тип соединения, которое он назвал нуклеином. Сегодня этот тип соединения известен под названием «нуклеиновая кислота». А еще двумя годами ранее австрийский биолог Грегор Мендель закончил серию простых экспериментов с садовым горохом. Эти эксперименты показали, что «элементы», в настоящее время называемые генами, отвечают за наследование организмом физических признаков, например, таких как окраска цветков у растений. Фридрих Мишер и Грегор Мендель положили начало генетике как науке. Их открытия первоначально, казалось бы, имевшие мало общего, стали первыми кусочками пазла, который через столетие сложился в полную картину генетического кода, названного в нобелевской лекции Роберта Холли «кодом жизни».
Что же такое генетический код и почему он называется кодом жизни?
Белки́ — это очень сложные молекулы, но их структура имеет определенные закономерности. Белки построены из ограниченного количества небольших строительных блоков — аминокислот. Сначала их разнообразие оценивали от 21 до 23. Если сравнить многообразие белков с языком, то можно представить аминокислоты в виде букв алфавита. Так язык аминокислот в клетке описывает наши наследуемые качества.
Существует два вида нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). В 1950-х годах было установлено, что генетическая информация передается от ДНК к РНК, а далее специальные молекулярные комплексы считывают с РНК информацию и синтезируют белок. В 1953 году Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон определили химическую структуру молекулы ДНК, показав, что она имеет форму двойной спирали и очень похожа на винтовую лестницу. Одна последовательность из трех нуклеотидов в ДНК соответствует определенной аминокислоте в белке.
Продолжая нашу аналогию, можно сказать, что в клетках помимо языка аминокислот существует и язык нуклеиновых кислот. Одна клетка содержит много тысяч белков, которые осуществляют все химические реакции, необходимые для нормального функционирования живого организма. Синтез каждого белка задан нуклеиновой кислотой. Кареглазый ребенок получил от своих родителей нуклеиновые кислоты, которые «отрегулировали» образование белков, необходимых для синтеза темного пигмента радужной оболочки глаза. Генетический код — это нуклеиново-белковый разговорник, позволяющий осуществлять перевод с одного языка на другой. Но как его составить?
Для решения этой задачи Маршалл Ниренберг воспроизвел в пробирке экспериментальную систему, которая использовала нуклеиновую кислоту в качестве шаблона для сборки белка. Но сначала он синтезировал полиурацил — молекулу РНК, которая содержит только одно основание, а именно — урацил. Затем ученый поместил эту молекулу в свою бесклеточную экспериментальную систему, состоящую из смеси аминокислот, РНК, рибосом (комплексов, производящих белок), необходимых ферментов и других веществ, полученных в результате деликатного размельчения бактерий. В результате полиурациловая РНК направила синтез молекулы белка, состоявшего из цепочки молекул аминокислоты фенилаланина. Следовательно, код для фенилаланина представлял собой триплет урацил-урацил-урацил, или УУУ. Поскольку ДНК содержит четыре азотистых основания, а генетический код образуется из триплетов азотистых оснований, то существует 64 возможные триплетные комбинации для ДНК. Далее Маршалл Ниренберг, Роберт Холли и Хар Коран (ему принадлежит главная заслуга в этом деле) повторили эксперименты в той же системе с каждой из триплетных комбинаций — и синтезировали все возможные триплетные последовательности. Таким образом были открыты коды триплетов азотистых оснований для всех 20 аминокислот. Правда, оказалось, что аминокислоты кодируются более, чем одним триплетом, а некоторые триплеты известны как «бессмысленные», потому что не кодируют ни одну аминокислоту, но их значение было определено позднее.
Таким образом было установлено, как устроен механизм клетки, осуществляющий нуклеиново-белковый перевод. Теперь оставалось решить, какую роль в процессе играют РНК и как весь этот механизм взаимодействует в пространстве клетки с ее ядром, в котором находится ДНК, и рибосомами, где фактически происходит сборка белков. Этим занялся Роберт Холли. Основываясь на расшифрованном Ниренбергом триплетном коде для аминокислоты фенилаланина, он синтезировал молекулу транспортной РНК с соответствующим нуклеотидным составом.
Теперь стало понятно, что существует как минимум три типа РНК, взаимодействующих друг с другом в процессе синтеза молекул белка: информационная (или матричная), рибосомная и транспортная (о еще одном типе РНК — интерферирующей — см. в главе «РНК-интерференция — «контролер» генетической информации»). Информационная РНК копирует генетический код с ДНК в клеточном ядре и переносит генетическую реплику к рибосомам в цитоплазму клетки. Транспортная РНК, которая содержит специфическую нуклеотидную последовательность для каждой аминокислоты, захватывает предназначенную ей нуклеотидным кодом аминокислоту и транспортирует ее в цитоплазме к рибосомам, где белки и синтезируются при участии рибосомной РНК.
Холли и его коллеги обнаружили также, что транспортная РНК имеет биологически активную вторичную структуру в дополнение к первичной. Первичная структура представляет собой последовательность основания в нуклеотидной цепи. Вторичная структура транспортной РНК показывает, в каких местах витки спирали контактируют друг с другом. Эта структура напоминает трехлистный клевер. Последовательность нуклеотидов в «среднем листке» комплементарна соответствующему участку информационной РНК, то есть может с ней связываться. Эта комплементарность между транспортной и информационной РНК обеспечивает правильное расположение аминокислот в составе белка.
Награждая троих лауреатов, представитель Нобелевского комитета сказал: «В 1958 году в своей нобелевской лекции Эдуард Тейтем заглянул в хрустальный шар, чтобы предсказать грядущие события в молекулярной биологии. В нем он увидел, что до разгадки генетического кода доживут по крайней мере некоторые из присутствовавших в зале. В то время это было смелым пророчеством, больше похожим на фантазию. Однако не прошло и трех лет, как были расшифрованы первые буквы кода, а благодаря вашей смекалке природа кода и бóльшая часть его функций в синтезе белка стали известны менее чем за восемь лет. Вместе вы написали самую захватывающую главу в современной биологии».
Кстати
Во время Второй мировой войны Роберт Холли прервал исследования по органической химии в Корнеллском университете, а также прекратил работу в медицинском колледже и присоединился к группе американских ученых, которая впервые синтезировала пенициллин — антибиотик, открытый Флемингом в 1928 году.
