11. Пропавшая грамота

Следующая история, которую я собираюсь затронуть, касается молекулы, которую теперь называют матричной РНК. Двуспиральная структура ДНК обеспечила нам теоретическую концепцию неоценимой важности для будущего направления исследований – ведь она не просто связывала воедино подходы, которые на первый взгляд казались вовсе не связанными между собой, но и открывала возможность радикально новых экспериментов, которые невозможно было бы помыслить, не руководствуясь моделью ДНК. К несчастью, в наших рассуждениях содержалась одна крупная ошибка. В ту пору было неясно, происходит ли какой-то синтез белка в клеточном ядре (где в основном и находится ДНК), но все указывало на то, что по большей части он осуществляется в цитоплазме. Каким-то образом информация из последовательностей ядерной ДНК должна была поступать вовне ядра, в цитоплазму. Логичное соображение, выдвинутое еще до нашей модели ДНК, состояло в том, что посредником служит РНК. На этом основывался лозунг Джима Уотсона: «ДНК производит РНК производит белок».

Было известно, что клетки, в которых идет активный синтез белка, содержат больше РНК в цитоплазме, чем клетки менее активные. К концу 1950-х гг. было доказано, что эта РНК содержится преимущественно в мелких тельцах, состоящих из молекул РНК и смеси белков – теперь их зовут рибосомами. Разве не естественно было заключить, что каждая рибосома синтезирует лишь один белок и что ее РНК и есть постулируемый гонец с грамотой? Мы исходили из того, что каждый активный ген производит (одноцепочечную) РНК-копию себя, что в ядре она упаковывается вместе с набором белков, помогающих ей функционировать, и затем отправляется в цитоплазму, где управляет синтезом конкретной полипептидной цепочки, кодируемой данной РНК. Каждая рибосома, работая совместно с транспортными молекулами РНК (см. Приложение А), каким-то образом отражает элементы генетического кода (предполагаемые, но пока не выясненные), и таким образом четырехбуквенный «язык» РНК переводится на двадцатибуквенный «язык» белков.

К тому времени мы с Сидни Бреннером уже достаточно давно обсуждали возможность доказать эту идею, выделив одну рибосому, обеспечив ее всеми необходимыми прекурсорами и продемонстрировав затем, что она синтезирует лишь один тип белка. К счастью, проблема выглядела безнадежно затруднительной, поскольку доступные в то время технологии не были достаточно чувствительными. Мы могли бы затратить много времени и сил на непростые эксперименты, не зная, что они обречены на неудачу.

Поскольку рибосомы явно выполняли важную роль, с ними проводилось много экспериментальной работы. Применяемые в этой области технологии зачастую были новыми и в силу этого вызывали недоверие, а результаты редко бывали однозначными. И все же череда неудобных «фактов» требовала рассмотрения. Рибосомная РНК в растущей бактериальной клетке как будто не делала вообще ничего и потому описывалась как «инертный продукт обмена веществ». От рибосомных молекул РНК ожидалось, что они будут разнообразными по длине, ведь длина белковых молекул сильно различается. Но экспериментальные данные указывали на то, что существуют лишь два размера молекул рибосомной РНК. Набор оснований ДНК у разных видов бактерий значительно отличается. Можно было ожидать, что их РНК-посредник несет такие же различия, но состав рибосомной РНК, считавшейся этим посредником, оказался очень сходным у всех этих различных видов. Можно было выдумывать специальные оговорки, чтобы объяснить все эти слабые места, но они заметно беспокоили нас. Мы с Сидни проводили нескончаемые часы за пересмотром данных, пытаясь понять, что же тут не так.

Прозрение явилось из совсем другого источника. Группа исследователей из Пастеровского института в Париже провела эксперимент, впоследствии известный как «опыт ПАЖАМО», поскольку авторов звали Артур Парди (приглашенный американец), Франсуа Жакоб и Жак Моно.

Областью научных интересов Моно было в первую очередь образование индуцируемых ферментов, и в особенности β-галактозидазы. Клетка переключается на синтез этого фермента, если получает сахар в виде галактозы вместо более привычной глюкозы. Жакоба интересовало в основном то, как передается генетическая информация между клетками при спаривании. Он и Эли Вольман провели знаменитый эксперимент с бактериями в блендере: «мужским» и «женским» клеткам позволяли сливаться, а затем, через определенный промежуток времени, их встряхивали в кухонном блендере Waring – своего рода молекулярный coitus interruptus. К счастью, процесс спаривания (конъюгации) у бактерий продолжителен (он может длиться до двух часов, что для быстрорастущей клетки в несколько раз превышает нормальный срок жизни), что облегчает его изучение. Они доказали, что гены передаются в линейной последовательности, в заданном порядке, так что прерывание процесса практически не оказывает воздействия на предыдущие гены, но мешает передаче следующих. Это стало ключевым открытием в генетике бактерий, прояснив целый ряд трудностей, накопившихся за многие годы.

С нашей точки зрения, важный аспект этого процесса состоял в том, что конкретный ген, например, ген β-галактозидазы, внедрялся в клетку в заданное время. Следовательно, можно было пронаблюдать динамику синтеза нового белка во времени, после того как ген оказался в клетке.

Результат удивил нас. Мы ожидали, что новый ген тут же начнет производить собственные рибосомы, что они будут медленно накапливаться и что по мере введения в эксплуатацию все новых рибосом синтез белка будет стабильно ускоряться. Но эксперимент ПАЖАМО продемонстрировал нечто совсем иное. Вскоре после внедрения гена синтез β-галактозидазы запускался в быстром темпе и сохранял этот темп.

Естественно, нам не хотелось верить результатам этого эксперимента. Впервые нам о нем рассказал Жак Моно, когда он приезжал в Кембридж, но на тот момент результаты были предварительными. В последующие месяцы мы с Сидни очень переживали из-за этого. Я пытался найти какой-то выход, но мои попытки выглядели притянутыми за уши.

Чуть позже в Кембридж приехал Франсуа Жакоб, и на Страстную пятницу 1960 г., когда лаборатория была закрыта, наша маленькая компания собралась в одном из помещений Гиббсовского корпуса Королевского колледжа, постоянным членом которого был Сидни. У Хораса Джадсона этот эпизод описан гораздо подробнее. Здесь я отмечу только главные моменты.

Я принялся выпытывать у Франсуа об эксперименте ПАЖАМО, потому что в первоначальной публикации был ряд потенциально слабых мест. Франсуа подробно рассказал нам об усовершенствованиях опытов. Кроме того, он сообщил о свежем эксперименте Парди совместно с Моникой Райли в Беркли. В конце концов нам пришлось признать, что результаты опытов верны. Что именно последовало затем, помнится смутно, поскольку померкло в свете дальнейших событий, но цепь рассуждений восстановить несложно. Опыты типа ПАЖАМО продемонстрировали, что рибосомная РНК не могла служить «грамотой». Все предыдущие затруднения подготовили нас к этой мысли, но мы не сумели сделать следующий шаг: где в таком случае хранится послание? И тут Сидни Бреннер издал громкий вопль – он догадался. (Я тоже догадался в данном случае, но все остальные – нет.) Одну из второстепенных проблем в этом запутанном деле составляла мелкая разновидность РНК, которая появлялась в клетке E. coli вскоре после поражения бактериофагом Т4. (E. coli, или кишечная палочка – это бактерия, живущая в нашем кишечнике, которая часто используется как модельный организм.) За несколько лет до того, в 1956 г., два исследователя – Эллиот Волкин и Лазарус Астрахан – продемонстрировали, что при этом синтезируется новый вид РНК с необычным составом оснований, зеркально отражающим порядок оснований инфицирующего вируса, а не самой кишечной палочки (у той состав совершенно другой). Сначала они решили, что это прекурсоры для синтеза вирусной ДНК, которую зараженная клетка должна была производить в больших количествах, но их дальнейшие тщательные исследования показали, что эта гипотеза ошибочна. Их результаты зависли в воздухе на полпути – удивительные, но необъяснимые.

Проблема заключалась вот в чем: если РНК с посланием – не рибосомная РНК, а какая-то другая разновидность, почему мы ее не наблюдали? Это и было озарение Сидни – что РНК Волкина – Астрахана и есть РНК, несущая послание зараженной вирусом клетке. Теперь ее называют матричной РНК. Как только озарение состоялось, дальнейшие выводы последовали, можно сказать, автоматически. Если существует специальная матричная РНК, то понятно, что рибосоме не требуется нести информацию о последовательностях. Она – лишь бесстрастная патефонная игла. Вместо того чтобы специализироваться на синтезе лишь одного белка, она может перемещаться вдоль одной матрицы, синтезировать один белок, а затем переходить к следующей матричной РНК и синтезировать другой белок. Результаты ПАЖАМО легко объяснялись тем, что матричная РНК использовалась лишь несколько раз, а затем разрушалась. (Поначалу мы думали, что она используется всего один раз, но потом поняли, что подобное ограничение избыточно.) Это объясняло линейное возрастание количества белка во времени, поскольку количество матричной РНК для β-галактозидазы быстро достигало равновесной концентрации, при которой ее синтез уравновешивался ее разрушением. Это казалось расточительством, но позволяло клетке быстро приспосабливаться к изменениям окружающей среды.

В тот вечер я созвал гостей в «Золотую спираль». Мы часто давали вечеринки (приемы у молекулярных биологов в Кембридже считались самыми веселыми), но эта была не такой как все. Половина гостей, например, вирусолог Рой Маркхем, не присутствовавший на утреннем собрании, просто развлекалась. Другая половина, разбившись на мелкие группы, серьезно обсуждала новую идею, отмечая, как легко она объясняет противоречивые данные, и живо выдвигая планы радикально новых, ключевых экспериментов для проверки этой гипотезы. Некоторые из них впоследствии провел Сидни во время поездки в Калифорнийский технологический институт, совместно с Франсуа и Мэттом Мезельсоном.

Два обстоятельства труднее всего поддаются пересказу. Первое – внезапность вспышки озарения, когда впервые возникла идея. Этот момент настолько памятен, что я помню даже, на каких местах в комнате мы сидели – я, Сидни и Франсуа, – когда это произошло. Второе – то, как эта мысль разъяснила столь многие затруднения. Одно-единственное неверное предположение (что рибосомная РНК и была носителем «послания») полностью сбило нас с пути, так что казалось, будто мы блуждаем в густом тумане. Утром того дня я проснулся лишь с кучкой путаных идей об общих принципах управления синтезом белка. Когда я ложился спать, все наши затруднения были разрешены и ответы сияли перед нами во всей ясности. Разумеется, на внедрение этих новых идей уйдут месяцы и годы, но мы больше не чувствовали себя заблудившимися в джунглях. Нам была видна открытая равнина, а вдали ясно вырисовывались горы.

Новые идеи проложили дорогу некоторым из ключевых экспериментов, благодаря которым был расшифрован генетический код, поскольку теперь можно было подумать о том, как добавить определенные матрицы (естественные или искусственные) к рибосомам – идея, раньше не имевшая смысла.

Конечно, вы не сможете удержаться и не спросить: почему же мы раньше об этом не догадались? В некотором смысле мы догадывались, но, поскольку догадка как будто ничем не подкреплялась, мы не придали ей значения. Нам потребовалось сначала поверить, что РНК, которую мы наблюдали в цитоплазме, не была носительницей послания и, следовательно, обладала какой-то иной функцией. В чем именно состоит эта функция, не вполне ясно даже теперь, хотя мы можем строить ученые догадки. Затем нам потребовалось предположить существование ключевой разновидности РНК, которую никогда не наблюдали. Жаль, что мне не хватило смелости сделать этот шаг – наверное, мне помешала моя природная осторожность. По иронии судьбы, разумеется, однажды ее наблюдали (в зараженной фагом клетке), но мы не распознавали ее вплоть до того судьбоносного утра на Страстную пятницу. Разумеется, матричную РНК рано или поздно открыли бы, но я не сомневаюсь, что это озарение значительно ускорило процесс. После этого опыты, можно сказать, напрашивались сами собой. Оставалось только пахать – радостная картина!