Глава 1 Дорогая, у тебя, оказывается, есть ДНК…


История начинается с рассказа о нахальных джентльменах со странными галстуками, которые становятся знаменитыми, обокрав даму. Попутно совершается открытие ДНК, расшифровывается ее структура, а Супермен и Кларк Кент объясняют, как действует ген.


У нас нежданные гости. Как гром среди ясного неба., нагрянула тетушка Хедвиг. Мы с женой молча переглядываемся. «Ты знала?» – тихо цежу я сквозь зубы. Но в ответ вижу легкую панику в ее глазах и едва заметное подрагивание уголка рта.

А тетушка наносит очередной неожиданный удар. Она ловко протискивается мимо меня с огромным чемоданом и, обращаясь к нашему наследнику, говорит: «Господи! Как вырос-то!» Хедвиг взъерошивает ему волосы и теребит за щеку. «Весь в отца! Прямо не отличить! Вот что значит гены. Ну да ладно, может, еще перерастет… Поцелуй тетю. Теперь мы будем много времени проводить вместе…» И пока я пытаюсь стряхнуть с себя оцепенение от шока, до меня вдруг доходит: она приехала надолго.


То, что родственники нередко бывают похожими друг на друга (как хорошими, так и плохими чертами), давно известно каждому. Но что это за таинственные гены, из-за которых все происходит?

Все началось в 1854 году, когда монах и помощник учителя Грегор Мендель (учителем он так и не стал, поскольку не сдал соответствующий экзамен) вдруг задумался, каким образом наследуются различные свойства. Правда, «задумался» – это слишком мягко сказано. Он высаживал тысячи ростков гороха, скрещивал и исследовал их. Свои наблюдения Мендель отразил в статистической форме. Сегодня его считают отцом генетики. (Возможно, попутно он сделал открытие, что употребление в пищу большого количества гороха в монастырских стенах имеет свои недостатки, отравляя атмосферу, но история о таких деталях умалчивает.)

Менделю удалось доказать, что наследование отдельных свойств, например оттенка цветков и высоты ростков, подчиняется строгим законам. Складывалось впечатление, что в каждом растении содержалась в двух копиях некая таинственная запись о наследуемых качествах. Родительские растения отдавали по одной копии своим потомкам. Кроме того, выяснилось, что это таинственное «нечто» представляет собой не единое целое, а состоит из частей, каждая из которых отвечает за определенный признак. Но Мендель не имел ни малейшего представления, как могут выглядеть эти единицы наследственности.

В конце концов он опубликовал свои труды, изложив на бумаге совершенно новые, революционные мысли. И как это часто бывает с основополагающими идеями, их поначалу не признали. Ученый мир не заинтересовался открытиями монаха. Но Мендель был твердо уверен в том, что нашел нечто важное. До нас дошли его слова: «Мое время еще придет!» И оно пришло. Спустя 30 лет после публикации. В 1900 году его труды были «заново открыты» и перепроверены тремя ботаниками, которые поняли их истинное значение. Менделя это, безусловно, порадовало бы, но, к сожалению, он к тому времени был уже давно мертв. И все-таки стартовый выстрел для генетики прозвучал именно в монастырском дворе.

Термин «ген» появился лишь в 1909 году. Датчанин Вильгельм Иогансен произвел его от греческого слова genos (род, семья). Возможно, ему хотелось, чтобы термин, обозначающий единицу наследственности, был коротким и запоминающимся. Правда, для него самого ген был не реальной материальной частицей, а, скорее, некой концепцией. В то время так думали многие ученые.

Относительно природы генов сразу возникло два больших вопроса. Во-первых, каким образом свойства организма, например белый цвет лепестков, передаются от одного поколения другому? Во-вторых, почему вообще возникают различные свойства? Почему цветок гороха белый? Как растение создает этот цвет?

Чтобы раскрыть природу свойств организмов, можно было, подобно Менделю, работать с достаточно крупными растениями или животными. Но тут сразу возникли бы трудности, потому что такие исследования продолжаются слишком много времени и потому что у сложных организмов свойства тоже носят сложный характер. К счастью, есть живые организмы с намного более простыми качествами. К таким качествам можно, например, отнести способность дрожжей производить алкоголь из сахара. Это простая химическая реакция преобразования одного вещества в другое (вообще-то даже в два других, потому что попутно образуется двуокись углерода). Для таких преобразований живые организмы нуждаются в ферментах. Если организм располагает определенными ферментами, происходит реакция. Если нет, то нет. Таким образом, наличие фермента – это наименьшая возможная единица свойств.

С 1926 года известно также, что представляют собой ферменты. Это белки. Белки – настоящее чудо природы! Они состоят из 20 различных «кирпичиков» – аминокислот, которые могут образовывать самые разные сочетания, складываясь в длинные цепочки. Эти цепочки имеют трехмерную структуру и могут выполнять самые разные функции. (Вообще-то это поражает воображение. Если кто-то сомневается, пусть сам попробует завязать на веревке множество различных узелков, чтобы из нее получились, например, ножницы или модель Эйфелевой башни.) В наших клетках используется большое количество белков практически для всех жизненных потребностей. Белки – это рабочие лошадки жизни.

Когда стало ясно, что фермент служит средством передачи одного простого признака, в 1941 году было высказано предположение, что ген представляет собой структуру, определяющую, каким будет этот фермент. Гипотеза получила название «Один ген – один фермент». Таким образом, в названии содержалась ее суть. Но прожила эта гипотеза недолго. Уже вскоре было обнаружено, что существуют белки, не являющиеся ферментами и выполняющие другие функции. Например, белки способны без труда образовывать весьма крупные структуры (наши волосы почти полностью состоят из белка кератина). Поэтому гипотезу переименовали в «Один ген – один белок». Поначалу она всех устраивала. Но несколько лет спустя выяснилось, что зачастую белки состоят не из одной цепочки аминокислот (так называемого полипептида), а из нескольких. Пришлось выдумывать для гипотезы новое имя. Уже догадались какое? «Один ген – один полипептид». Давайте сразу предвосхитим события: это был еще далеко не конец истории.

Сегодня мы знаем, что белки задают определенные признаки организма, но нам до сих пор не известно, каким образом эти признаки наследуются и что на самом деле представляют собой гены. Первые идеи о природе генов появились уже вскоре после 1900 года, когда при наблюдении через микроскоп за делением клеток были обнаружены крупные волокнистые структуры – хромосомы, которые поровну распределяются между дочерними клетками. Это наводило на мысль, что именно хромосомы являются хранилищем наследственной информации клеток. При более подробном исследовании выяснилось, что они состоят из белка и ДНК – дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Но какое из этих двух веществ несет в себе наследственную информацию? Поначалу никто даже не думал, что это может быть ДНК. О ее существовании было известно уже достаточно давно, но конкретных сведений имелось мало. Она просто находилась в составе клеток и, похоже, ничего не делала. Кроме того, она состояла из очень немногих оснований – Г, А, Т и Ц (гуанина, аденина, тимина и цитозина), а также из фосфата и сахара.

По сравнению с белками, в составе которых насчитывается 20 аминокислот, это были сущие пустяки. Вдобавок белки могли быть ферментами и выполнять самые разнообразные задачи. Почему бы не наделить их еще и функцией хранения информации? Эта идея получила распространение и прожила достаточно долго. Лишь когда в середине 40-х годов было доказано, что при переносе ДНК от одной бактерии к другой передавались и различные свойства, мнение ученых начало меняться. Поначалу медленно. Понадобилось еще почти десять лет, прежде чем ДНК стала общепризнанным носителем наследственной информации. У Альберта Эйнштейна есть прекрасное высказывание: «Легче расщепить атом, чем разрушить устоявшееся мнение».

Представьте себе, что началось после того, как был сделан этот решающий шаг. Вы, ничего не подозревая, ложитесь вечером спать, а наутро за завтраком открываете газету – и там черным по белому: у вас есть дезоксирибонуклеиновая кислота! И эта чертовщина, которую и выговорить-то невозможно, каким-то образом связана с тем, что ваши дети так похожи на вас.

Подобные открытия в одночасье меняют мир. Ученые почуяли: здесь пахнет Нобелевской премией! Всем было ясно, что следующим шагом должно стать определение структуры ДНК. Как выглядит эта молекула? Началась гонка, в которой должен был победить тот, кто первым ответит на данный вопрос. В ней приняли участие самые выдающиеся умы. А победу одержали двое ученых, на которых вряд ли кто из букмекеров стал бы принимать ставки, – Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик.

Хотя сегодня их признают величайшими светилами в области биологии, в то время почти никто не верил в их успех. Англичанин Фрэнсис Крик был по специальности физиком и в годы Второй мировой войны конструировал морские мины. После войны он занялся биологией и без особых успехов работал в Кембридже над докторской диссертацией, пытаясь выяснить структуру белка гемоглобина, отвечающего за транспортировку кислорода. Научный руководитель считал его бездельником, от которого ничего толкового, кроме пустой болтовни, не дождешься.

Но в один прекрасный день судьба столкнула Крика с молодым американцем Джеймсом Уотсоном. Тот был вундеркиндом, который уже в пятнадцать лет поступил в университет, чтобы изучать зоологию. Ко времени встречи ему исполнилось двадцать два года, он защитил диссертацию и получил стипендию для продолжения работы в Великобритании. Между Криком и Уотсоном сразу возникла симпатия, и они решили совместными усилиями разгадать загадку ДНК. Это было смелое решение, потому что ни один из них не являлся специалистом в данной области. На самом деле им были поручены совсем другие проекты, но Крик и Уотсон занимались ими постольку поскольку.

По-настоящему все завертелось в 1951 году. На одной из конференций Уотсон сидел в задних рядах, чтобы без помех почитать газету, и почти не слушал докладчицу. А ею была Розалинд Франклин из Лондона, рассказывавшая о своих последних достижениях. Она считалась ведущим специалистом в области рентгеноструктурного анализа. Но когда Уотсон задумался о том, что ей стоило бы поработать над своей внешностью, речь в докладе зашла о последних данных относительно структуры ДНК. Ее рентгенограммы оказались самыми качественными из всех, которые когда-либо доводилось видеть. Только не думайте, что на этих снимках ДНК представала в том виде, который сегодня известен всем. Это были всего-навсего темные размытые пятнышки, и разглядеть в них какой-то смысл могли лишь немногие посвященные. Уотсон моментально насторожился: Франклин располагала рентгеновскими снимками и данными математического анализа, но у нее не было модели молекулярной структуры. Уотсону было ясно, что ДНК должна иметь правильную спиралеобразную структуру, похожую на винтовую лестницу. В этот момент соперничество за право первым расшифровать структуру ДНК вышло на финишную прямую! Уотсон вместе с Криком лихорадочно принялись за работу.

Конечно, их работа состояла не в том, чтобы самим проводить какие-то эксперименты. Нет, они только использовали известные факты и обрывки информации, почерпнутые Уотсоном из доклада коллеги. При этом было понятно, что они охотятся в чужих угодьях, и начальник Уотсона Джон Кендрю настоял на том, чтобы они представили созданную ими модель Розалинд Франклин и ее коллеге Морису Уилкинсу.

Франклин не высказала восторга от увиденного, так как получившаяся модель ДНК совершенно не выдерживала критики. Уотсон и Крик потерпели жестокое фиаско. Руководитель института, которому эта история тоже не понравилась, вызвал их на следующий день к себе и заявил, что их работа над ДНК прекращается! Этим должны заниматься Франклин и Уилкинс в Лондоне, а Уотсона и Крика ждут другие задачи, в частности незаконченная докторская работа.

Это могло бы стать концом всей истории, но произошло другое. Крик и Уотсон не сдались. В следующем, 1952 году в Кембридж приехал выдающийся американский химик австрийского происхождения Эрвин Чаргафф, также занимавшийся анализом ДНК, в частности ее четырьмя основаниями А, Г, Ц и Т. До сих пор было не ясно, как они располагаются в молекуле. Однако Чаргафф постоянно наблюдал, что содержание основания Г в молекуле всегда равно содержанию Ц, а содержание А, в свою очередь, совпадает с Т. Крик и Уотсон настояли на беседе с ним и вновь опозорились по полной программе. Они делали непрофессиональные замечания и проявили себя как люди, совершенно не разбирающиеся в химии. Позднее Чаргафф говорил о них как о клоунах в науке, которые берут свое апломбом и нахрапом.

Но и это не остановило двух молодых людей. Немного позже Уотсон вновь посетил лабораторию Франклин и Уилкинса. После того как Франклин со скандалом вышвырнула Уотсона (он попытался показать ей неопубликованную и, следовательно, конфиденциальную научную работу конкурента), он обратился к Уилкинсу. Отношения с ним были лучше, потому что Уотсон и Крик не отказывали себе в удовольствиях и закатывали вечеринки, на которые регулярно приглашали Уилкинса. Тот с удовольствием показал Уотсону последние разработки и данные Франклин, в которых структура ДНК просматривалась яснее, чем когда-либо ранее.

С этой новой информацией Уотсон вернулся в Кембридж, и они с Криком без промедления начали работать над новой моделью ДНК. Утром 28 февраля 1953 года загадка в конце концов была разгадана!

Чуть позже напористые друзья опубликовали свою модель в виде коротенького текста на одну страничку и небольшого эскиза двойной спирали (нарисованного женой Крика Одиль) и в одночасье стали звездами в научном мире. Правда, они одной фразой отметили вклад Франклин и Уилкинса, указав, что «их результаты и идеи послужили стимулом в работе». Это яркий пример того, что в мире науки почести и слава зачастую распределяются не по справедливости. Однако Франклин и Уилкинсу было все же позволено опубликовать данные, приведшие к великому открытию, в том же журнале, где Уотсон и Крик описали двойную спираль ДНК.

Дополнительный горький привкус этой истории придает то обстоятельство, что Розалинд Франклин, без рентгеновских анализов которой открытие вообще не состоялось бы, умерла от рака в возрасте всего 37 лет. Вполне возможно, что именно опасная работа с рентгеновскими лучами стоила ей жизни, одновременно прославив Уотсона и Крика. В 1962 году они вместе с Уилкинсом получили Нобелевскую премию. Розалинд Франклин осталась без награды, так как эта премия присуждается только при жизни.

В каком свете предстают перед нами Уотсон и Крик? С одной стороны, они самостоятельно не провели ни одного эксперимента и только манипулировали данными других ученых, что явно противоречит строгой английской морали и научному кодексу чести. Вся эта история считается в наши дни классическим примером не самого достойного поведения в науке. С другой стороны, они проявили упорство и не позволили сбить себя с пути. Они по-разному комбинировали имевшуюся в их распоряжении информацию, которая в конце концов сложилась в модель ДНК. Вне всякого сомнения, это было выдающимся интеллектуальным достижением, на котором последующие поколения ученых строили наше сегодняшнее понимание жизни. Так считать ли их героями? Приговор за вами.

Но вернемся к нашей знаменитой двойной спирали. Модель Уотсона и Крика выглядит словно перекрученная веревочная лестница. Оба боковых «каната» представляют собой цепочки прочно связанных между собой компонентов ДНК и нуклеотидов. Этими компонентами являются сахара и фосфаты, образующие достаточно прочные связи. Но самое интересное – это «ступеньки». Они образованы соединением оснований, отходящих от боковых нитей. Если А встречается с Т, а Г – с Ц, то они взаимно притягиваются (это явление называется «парностью оснований Уотсона и Крика»). При других сочетаниях этого не происходит. Силы, действующие между основаниями, значительно слабее, чем те, которые удерживают боковые нити. Это напоминает застежку-липучку: для того, чтобы разделить обе ее части, нужны относительно небольшие усилия.

Все это прекрасно, но почему открытие структуры ДНК считается в генетике таким же значимым событием, как высадка на Луну? Потому, что теперь окончательно стало ясно, как ДНК хранит информацию. Это происходит в длинных цепочках оснований. Все дело – в их последовательности. Если известно, в какой последовательности располагаются буквы в книге, ее можно прочесть. Если же последовательность не определена, мы имеем дело с бессмысленным набором, как в пакете с макаронными изделиями в виде букв. Это, может быть, и аппетитно, но с содержательной точки зрения равно нулю.

Однако благодаря открытию структуры удалось понять и еще кое-что. Для того чтобы установить полную последовательность, достаточно всего одной цепочки. Зачем же нужна вторая? Дело в том, что они зависят друг от друга. Если в одной цепочке имеется основание А, то в другой на этом месте должно быть Т. Таким образом, вторая нить – зеркальная копия первой. Уотсон и Крик сразу поняли, для чего нужно это двойное повторение: одна нить служит образцом для изготовления второй. Если в молекуле ДНК отделить одну нить от другой (что не так уж трудно сделать, как видно на примере застежки-липучки), то из полученных частей можно образовать две новые молекулы и так далее. Таким образом, структура позволила понять, каким образом осуществляется передача наследственной информации при размножении.

Итак, настал великий момент. Все чудесно! Тайна жизни разгадана! Наука шумно праздновала грандиозную победу.

Но уже на следующее утро пришло отрезвление. Да, теперь было известно, как в принципе выглядит ДНК. Но что значит АГТТЦГАТЦЦААГТЦТ? Ведь из этой мешанины непонятно, почему у тети Хедвиг крепкое здоровье, а у ее соседа выпадают волосы. Короче говоря, ученые теперь знали, как устроена ДНК, но не имели ни малейшего понятия о том, как хранящаяся в ней информация используется в клетках. Особенно их интересовало, с помощью каких кодов в ДНК записываются инструкции по синтезу белков. Ведь к тому времени было уже известно, что белки выполняют в клетках множество важных функций. Итак, ученым пришлось опять облачиться в лабораторные халаты, вытряхнуть остатки конфетти из волос и, превозмогая похмелье, отправиться по своим лабораториям.

Чтобы расшифровать эти коды, биологам пришлось немало поломать голову. Представим себе, например, как Джеймс Уотсон сидит в одиночестве в полумраке гостиничного бара, склонив голову над стаканом виски, и бормочет: «Надо взломать этот чертов код… Но как? Как?» «Извините, – вмешивается скрипучий голос с русским акцентом, – вы, кажется, что-то говорили про взламывание кодов?» Этот голос принадлежит Георгию Гамову, русско-американскому физику, который в то время как раз искал доказательства теории Большого взрыва. Правда, одновременно его внимание привлекла загадка генетического кода, и он решил всерьез взяться за это дело совместно с Уотсоном. Но не просто всерьез, а еще и с шиком! Поэтому в 1954 году они основали «Клуб галстуков РНК». В этот джентльменский клуб вошли научные тяжеловесы того времени.

Данная организация поставила перед собой цель выяснить, как кодируется информация в ДНК, то есть каким образом с ее помощью синтезируются белки и какое отношение к этому имеет РНК (если вообще имеет). Минуточку, а причем здесь РНК? Мы совершенно упустили этот момент из виду, но немедленно исправим допущенную ошибку. РНК звучит похоже на ДНК, да и во многих других отношениях схожа с ней. По своей структуре это сестры. С химической точки зрения они отличаются друг от друга лишь двумя вещами. В РНК используется сахар под названием рибоза, а в ДНК – дезоксирибоза. Поэтому РНК и расшифровывается как рибонуклеиновая кислота, а не дезоксирибонуклеиновая. Кроме того, основание Т (тимин) заменено в ней на У (урацил). Но, как это часто бывает у сестер, они при всей своей похожести ведут себя совершенно по-разному. Если ДНК представляет собой длинную спираль с двумя нитями, то РНК, как правило, существует в виде множества коротких фрагментов, состоящих всего из одной нити. К тому же она отличается очень коротким сроком жизни (что и по сей день приводит биологов в отчаяние). В то время об этой неустойчивой сестре ДНК было известно очень мало, но высказывались предположения, что она имеет какое-то отношение к производству белков.

«Клуб галстуков РНК» был особым миром. Это учреждение отличалось от нынешних научных организаций примерно так же, как сходка завсегдатаев пивной от собрания акционеров Telecom. С сегодняшней точки зрения это было просто сборище взбалмошных чудаков. Клуб (или «Галстучное братство», как его порой именовал Гамов), состоял из 20 индивидуально отобранных членов, каждый из которых отвечал за одну из аминокислот. Себе Гамов выделил первую по алфавиту аминокислоту – аланин (Ala). Уотсону досталась Pro (пролин, что, впрочем, могло расшифровываться и как «профессионал»…). Разумеется, Крик тоже не остался в стороне и получил аббревиатуру Туг (тирозин, а также имя древнегерманского бога войны). Аналогичным образом были распределены и все остальные аминокислоты. Затем в состав клуба вошли еще четыре почетных члена, которые символизировали четыре основания ДНК. Каждому члену джентльменского клуба был вручен именной галстук (черный, с изображением желто-зеленой спирали, стоимостью 4 доллара за штуку) и заколка к нему с соответствующей аббревиатурой. Не менее изящно выглядела структура клуба и распределение обязанностей в нем. Так, например, официально существовали должности клубного пессимиста (Крик) и оптимиста (Уотсон). Как это выглядело на практике? Возможно, так:

Крик: Мой стакан опять наполовину пуст…

Уотсон: Прекрасно. Значит, туда можно долить воды!

Для обмена информацией члены клуба писали друг другу письма и встречались два раза в год. Под сигары, виски и пиво шел оживленный обмен хорошими и плохими, но, как правило, не вполне зрелыми идеями.

Поскольку Уотсон и Крик уже добились огромных успехов в спекулировании чужими данными, они с восторгом продолжили эту деятельность. За пару лет существования клуба Фрэнсис Крик сформулировал несколько идей. Самой знаменитой из них была гипотеза о том, что информация может переноситься с одних нуклеиновых кислот на другие (то есть на РНК или ДНК) и использоваться для синтеза белков, в то время как сами белки источником информации не являются. Эту гипотезу он назвал «центральной догмой» молекулярной биологии. В последующие годы почти все ее положения подтвердились. Наследственная информация в виде небольших фрагментов переносится на короткоживущие молекулы РНК (так называемые матричные или информационные РНК) и служит как бы инструкцией для производства белков. Путь выглядит следующим образом: от ДНК через РНК к белку (существует несколько исключений, но об этом позже).

Но как информация записывается в ДНК? С помощью каких кодов? Все, что было известно об этом в 1954 году, могло без труда уместиться на картонной подставке под пивную кружку: 20 аминокислот описываются с помощью четырех оснований ДНК. Это не подлежало сомнению. В остальном же информации для размышлений было очень мало. Однако все дискуссии, проходившие в веселой обстановке за выпивкой, сводились к тому, что генетический код должен представлять собой нечто великолепное, совершенное и логичное. Ведь жизнь, которая на нем основывается, завоевала даже самые неподходящие для этого уголки мира – от океанских глубин, куда не проникает свет, до вечных льдов на самых высоких горных вершинах. Если удастся выяснить, какой самый лучший и самый логичный код может быть передан с помощью ДНК, то он и окажется кодом жизни. Какая многообещающая предпосылка! Члены клуба с энтузиазмом взялись за работу. Их девизом стало высказывание Макса Дельбрюкка: «Умри, но сделай, а иначе и не пытайся!»

Гамов предположил, что для кодирования 20 аминокислот необходимы минимум три позиции ДНК. Под одной позицией понимается сочетание четырех различных оснований, что дает четыре варианта кода. Две связанные между собой позиции могут дать 16 комбинаций (4 х 4), а три – 64 комбинации (4x4x4). Сидней Бреннер (также член клуба) впоследствии доказал, что три следующие друг за другом позиции

ДНК, которые он назвал «кодоном», и составляют код аминокислоты. Но почему аминокислот насчитывается только 20, хотя существует 64 возможных кода? Гамов и его коллеги исходили из того, что для этого есть какая-то причина. Ее просто не может не быть. Согласно одной из теорий, значение имеет только сочетание оснований в кодоне, а не их последовательность. Таким образом, все кодоны, в которых, к примеру, содержатся основания А, Г и Ц (АГЦ, АЦГ, ЦГА, ЦАГ, ГАЦ и ГЦА), должны кодировать синтез одной и той же аминокислоты. Но если так, то количество вариантов кодирования сокращается с 64 до 20. Вуаля! Просто несокрушимая логика. Гамов и его клуб придумали еще много всяких теорий – в большинстве своем весьма впечатляющих и сложных, но, к сожалению, неверных.

Разгадали тайну опять-таки люди, от которых этого никто не ждал: Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи, работавшие в Национальных институтах здравоохранения США. Разумеется, они не были участниками клуба. В своей работе Ниренберг и Маттеи не стали концентрироваться на сверхсложных моделях кодирования, а с помощью элегантного эксперимента показали, что кодон РНК УУУ кодирует аминокислоту фенилаланин (кстати, это произошло 15 мая 1961 года в три часа ночи, то есть, как и в большинстве научных открытий, здесь не обошлось без большого количества кофе).

В августе того же года Ниренберг представил свои работы на крупном конгрессе в Москве. В ту пору ему было тридцать с небольшим лет, и он еще не мог похвастаться особо выдающимися достижениями. Он был никому не известен и сам никого не знал. Поэтому его доклад прозвучал перед небольшой группой, состоявшей из 30 ученых, да и те не проявили к нему жгучего интереса (Ниренберг впоследствии рассказывал, что публика была «абсолютно мертвой»). Вполне могло случиться, что это великое открытие так и пропало бы, не удостоившись ничьего внимания. Но, как это часто бывает, накануне Ниренберг встретился с Уотсоном и сообщил ему о своих достижениях. Уотсон отнесся к ним скептически, но должность «оптимиста клуба» обязывала его проявить внимание, и он попросил одного знакомого взглянуть на доклад. Тот доложил, что данные производят весьма солидное впечатление, и Уотсон передал эту информацию Крику, который попросил организаторов конференции дать Ниренбергу возможность повторить свой доклад на следующий день. На этот раз перед почти тысячей слушателей, которые аплодировали ему стоя.

Разумеется, этот успех послужил стартовым выстрелом для новой научной гонки, целью которой теперь являлась расшифровка остальных кодонов. И Ниренберг наверняка проиграл бы эту гонку более крупным и уважаемым лабораториям, если бы многочисленные коллеги из его института не проявили готовность отложить в сторону свою работу, чтобы помочь ему. Порой коллегиальность свойственна даже ученым.

Только пять лет спустя, в 1966 году, удалось понять значение всех 64 кодонов. И знаете, что еще произошло в 1966 году? Впервые по телевизору был показан сериал «Звездный путь». Как, по-вашему, отреагировал бы его персонаж Спок на расшифровку генетического кода? «Потрясающе» или «Это не логично»? Возможно, и то и другое, потому что по сравнению с элегантными моделями «Клуба галстуков РНК» этот код выглядел неуклюже и совсем нелогично. Он никак не объяснял, почему аминокислот только двадцать. В нем не прослеживалось логической связи между кодонами и отдельными аминокислотами. Все объяснялось простой случайностью. Гамов и его коллеги наверняка были сильно разочарованы банальностью своего наследственного материала. Крик говорил впоследствии, что в основе кода лежит случай, происшедший в самом начале зарождения жизни, да так и сохранившийся с тех пор в ДНК.

Но перейдем к деталям. Из 64 кодонов 61 используется для кодирования аминокислот. Для одних кислот требуется до шести кодонов, для других хватает и одного. Если для кодирования одной аминокислоты нужно несколько кодовых слов, такой код называют вырожденным (звучит не очень-то приятно). Остальные три кодона не используются в производстве аминокислот, а служат так называемыми стоп-кодонами, которые сигнализируют: «На этом синтез белка заканчивается. Пожалуйста, больше не добавляйте новые аминокислоты». О начале сборки белка сигнализирует кодон, который одновременно отвечает за синтез аминокислоты метионина.

Итак, теперь мы знаем, как выглядит план синтеза белков, с чего он начинается, как кодируются аминокислоты и чем все заканчивается.

Это уже неплохо, но одной только инструкции недостаточно. Представьте себе следующую ситуацию: у вас есть план сооружения западни для тигра. В ней написано: «Вырой яму, прикрой ее тонкими ветками и положи аппетитную приманку». Вы берете лопату и принимаетесь за работу. Через несколько часов, когда вы стоите перед готовой западней, утирая пот и грязь со лба, к вам вдруг на всех парах несется мать вашего лучшего друга и кричит: «Ну где тебя носит? Свадебная церемония уже начинается. И зачем ты поставил торт посреди дороги-и-и

и

и

и

и?!»

Вы поняли, в чем проблема? План прекрасно сработал (о чем свидетельствует гневный голос, доносящийся из ямы), но время и место были выбраны неправильно. То же самое и с генами. Здесь тоже чрезвычайно важно, в каких клетках и с какой интенсивностью они начнут работать. Каким образом происходит регулирование генных функций, было показано в 60-е годы с помощью так называемого лактозного оперона.

Если предложить бактериям (в данном случае кишечным бактериям Escherichia coli – любимцам молекулярных биологов) питательный раствор с виноградным сахаром (глюкозой) и молочным сахаром (лактозой), то сначала перерабатывается весь виноградный сахар, поскольку он питательнее и легче усваивается. Только после этого бактерии принимаются за молочный сахар.

На генном уровне это выглядит следующим образом: лактозный оперон содержит план по синтезу белка, который отвечает за усвоение бактериями молочного сахара. Контроль за запуском этого плана и его интенсивностью осуществляется так называемым промотором – участком ДНК, который находится в непосредственной близости от места сборки белков. Он берет на себя функции центра управления. Если в клетке нет молочного сахара, центр управления заблокирован. За это отвечает лактозный репрессор – белок, который присоединяется к ДНК и мешает считывать инструкции. Это можно сравнить с ситуацией, когда вы в какой-то день решили ответить на все послания по электронной почте, но, как назло, постоянно звонит телефон и мешает вам. На одно-два письма вы еще как-то сможете ответить, но об эффективной работе можно забыть.

То же самое происходит и с лактозным опероном. Несмотря на помехи репрессора, он все же производит небольшое количество белков, но до тех пор, пока имеется виноградный сахар, эти белки не активизируются. И только когда вся глюкоза заканчивается, в клетку начинает поступать молочный сахар. Там он присоединяется к репрессору, который после этого отделяется от ДНК. Теперь лактозный оперон активизируется и начинает полным ходом производить белки до тех пор, пока не закончится весь молочный сахар. Затем репрессор вновь присоединяется к промотору и отключает его.

Если процесс переработки молочного сахара показался вам слишком скучным, у нас есть еще один пример генного регулирования. Это ген под названием Супермен, играющий важную роль в развитии мужских половых признаков цветка Arabidopsis thaliana (еще одного любимого объекта для биологических экспериментов). Небиологи пренебрежительно называют его сорняком. Активность Супермена сдерживается белком, за кодирование которого отвечает ген Криптонит. Кстати, существует и ген, обладающий очень большим сходством с Суперменом, но не столь сильный. Его название – Кларк Кент[1].

Вырисовывается такая картина: фрагмент ДНК производит короткую РНК (матричную, или мРНК), которая, в свою очередь, кодирует синтез белка. А белок отвечает за какой-то признак (возможно, малосущественный). Все очень точно и целенаправленно… Но жизнь совсем не так проста. Наша биология отличается креативностью и изобретательностью. Если что-то вообще способно функционировать, то оно обязательно будет воплощено в жизнь. Может ли существовать функция, которая возлагается не на белок, а непосредственно на РНК? А почему бы и нет? А что, если слегка видоизменить мРНК, чтобы она производила другой вариант белка? Так тому и быть! И перечень подобных возможностей можно продолжать до бесконечности.

Но как же звучит официальное определение понятия «ген»? Если вам сразу не приходит на ум идеальная формулировка, не огорчайтесь. Это не так просто. Ведь стоит только кому-то решить, что найдено хорошее определение, как какой-то живой организм тут же демонстрирует исключение из правил. В 2006 году 25 ученых собрались на два дня, чтобы отыскать современное определение. У них получилось следующее: «Ген представляет собой локализованный участок генетического материала, который соответствует единице наследственности, связанной с регулирующими, транскрибирующими и/ или другими функциональными последовательностями».

Звучит не слишком складно, но это наверняка еще не последнее определение. Нам же пока достаточно знать, что ген – это единица наследственной информации, необходимая для выполнения какой-то определенной функции. Но не теряйте бдительности. Кто знает, что еще может придумать природа, чтобы опровергнуть этот постулат…

Можно с уверенностью утверждать, что ДНК является носителем информации, а белки – оперативными единицами, на которых строится вся жизнь на нашей планете. Поддержку им оказывает РНК – своего рода мальчик на побегушках, выполняющий все посреднические функции между ДНК и белком, а также способный хранить информацию и самостоятельно выступать в роли фермента.

Но откуда, собственно, берутся РНК, ДНК и белки? Как они складываются в великую картину жизни?