В Киеве на улице Заболотного есть остановка «Генетическая». Пункт назначения почти всех пассажиров, следующих до этой остановки, - строгое современное здание, на вывеске которого значится «Сектор молекулярной биологии и генетики АН УССР» Возглавляет это учреждение член-корреспондент Украинской Академии наук профессор Сергей Михайлович Гершензон
Воспитанник московской школы генетиков, ученик И. 1л. Кольцова, Сергей Михайлович уже 35 лет трудится на Украине Возглавляемый им Отдел генетики Института зоологии АН УССР (позже он был преобразован в одно из подразделений Института микробиологии, и вирусологии имени Д. К. Заболотного) вырос в самостоятельное научно-исследовательское учреждение, фактически в новый институт. Путь, пройденный С. М. Гершензоном и руководимым им коллективом - от исследований в области классической генетики к генетике вирусов, и наконец к молекулярной биологии и генетике, закономерен это один из магистральных путей развития всей современной биологии.
С. М. Гершензону принадлежит около 150 научных работ. Остановимся на двух из них. Выполненные в разное время, и во многих отношениях разные, эти работы замечательны тем, что они отмечают важные вехи в развитии мировой науки и достойно представляют отечественную молекулярную биологию на международной научной арене.
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
У молекулярной биологии есть точная дата рождения - среда 2 апреля 1953 года. В этот день текст статьи, оповещавшей ученый мир о том, как устроена молекула ДНК, начал самостоятельный путь - сначала в редакцию лондонского журнала «Нэйчур», потом - по всему свету
Принято считать, что в открытии молекулярного строения ДНК решающую роль сыграл метод рентгеноструктурного анализа. Судя, но воспоминаниям Уотсона об истории этого открытия, дело обстояло несколько иначе Поставив перед собой цель определить структуру ДНК, Джеймс Уотсон, и Фрэнсис Крик тщательно проанализировали индивидуальный творческий метод выдающегося американского химика-теоретика Лайнуса Полинга, который незадолго до того расшифровал пространственное строение так называемой а-спирали - одной из боковых цепей молекулы гемоглобина. Вывод, к которому они пришли, был следующим «Ключ к успеху Лайнуса надо было искать в том, что он доверился простым законам структурной химии, d-спираль была открыта не с помощью простого созерцания рентгенограмм; главный фокус состоял в том, чтобы задать себе вопрос, какие атомы предпочитают соседствовать друг с другом? Основными рабочими инструментами были не бумага и карандаш, а набор молекулярных моделей, на первый взгляд напоминающих детские игрушки. Мы не видели, что могло бы помешать нам решить проблему ДНК таким же способом» 1 2.
Таким образом, рентгеноструктурный анализ («созерцание рентгенограмм») дополнялся активным поиском наиболее логичной структуры. Для этого был взят на вооружение полинговский метод конструирования пробных моделей - «игры в модели» - и, что гораздо важнее, полинговский принцип «доверия» к простым законам. Но только на этот раз доверие было оказано законам биологии. В своих решающих допущениях - о том, что цепей ДНК две, а не три (как предполагалось вначале), и, что они, возможно, комплементарны, то есть дополняют друг друга, как замок, и ключ, Уотсон, и Крик исходили из нехитрых биологических идей - о парности большинства живых объектов, и о матричном способе копирования генов. (Согласно последней идее, удвоение генов, предшествующее их расхождению по дочерним ядрам, происходит так сначала на гене отпечатывается его негативная копия, а затем на ней, как на матрице, формируется новый - позитивный ген. В случае двух комплементарных целей ДНК схема упрощается, поскольку каждая из испей - это, и сеть уже готовая матрица для воспроизводства другой.)
Модель, построенная на основании этих допущений, - знамени гая «двойная спираль», оказалась в полном ладу, и с теоретической химией, и с экспериментальными (рентгенокристаллографическими) данными, но ее успех означал в первую очередь торжество «простых» биологических идей.
В последнюю субботу марта 1953 года, когда модель «двойной спирали» (изящная настолько, что она, но словам Уотсона, «просто должна была существовать» в природе) уже красовалась в одной из комнат Кавендишской лаборатории Кембриджа, когда, спеша известить мир о своем открытии, счастливые авторы диктовали Элизабет Уотсон текст статьи для «Нэйчур», они уже знали, что стали виновниками события, «быть может, самого славного в биологии со времен книги Дарвина»
Предчувствия не обманули Уотсона, и Крика. Их работа, во многих отношениях несопоставимая с монументальным трудом Дарвина, оказалась сравнимой с ним по своим последствиям - по мощному импульсу, данному на много десятилетий вперед развитию научно-исследовательской мысли. Сейчас, почти 20 лет спустя, даже скептики вынуждены признать, что открытие «двойной спирали» было революционным переворотом в биологии.
Большие открытия всегда неожиданны, всегда внезапны. И вместе с тем они никогда не бывают случайными. Каждой революции - как в науке, так, и в жизни - предшествует целая цепь подготовительных событий. Предшественники были, как известно, и у Дарвина. Многих из них, от Бюффона, и Ламарка до Нодэна, и Спенсера, он сам упоминает в историческом очерке к «Происхождению видов». О других, например, о талантливом русском эволюционисте Рулье, Дарвин не знал.
У Уотсона, и Крика тоже были предшественники. Не только те физики, и химики (У. Т. Астбери, М. Уилкинс, Р. Фрэнклин, Э. Чаргафф, А. Тодд), чьи разрозненные экспериментальные данные помогли авторам «двойной спирали» воссоздать ее интегральный образ. В первую очередь те биологи, которые поверили в ДНК, почуяв, что именно в ней спрятан ключ к раскрытию тайны гена.
В 1951 году, когда двадцатитрехлетний Уотсон пересек Атлантику, чтобы поучиться у биохимиков Копенгагена обращению с нуклеиновыми кислотами, генетиков, интересовавшихся ДНК, было очень немного. Хотя все уже знали, что хромосомы (а в них, согласно хромосомной теории наследственности, и сосредоточены гены) в химическом отношении представляют собой сочетание ДНК, и белков, среди биологов укоренилось мнение, что генетически существенная часть хромосом - это белки, а не ДНК. Джеймс Уотсон, и его учитель микробиолог Сальвадор Дурна были другого мнения. И не без оснований в 1941 году их соотечественникам Эвери, МакЛеоду, и МакКарш удалось изменить наследственные свойства пневмококка, воздействуя на него очищенным препаратом чужеродной ДПК (полученной от другой разновидности того же микроба).
Эвери, таким образом, был первым, кто привлек к ДНК внимание генетиков. Такое впечатление складывается у каждого, кто читал «Двойную спираль». По, как справедливо заметил сэр Лоуренс Брэгг - один из патриархов рентгеновской кристаллографии, и директор Кавендишской лаборатории в то время, когда там создавалась модель ДНК, книга Уотсона - это еще не история науки, а лишь автобиографический вклад внес. На самом деле работа Эвери была не первым исследованием, заставлявшим биологов усомниться в том, что химической основой наследственности являются белки.
В 1939 году в «Докладах Академии наук СССР» (т. 25, стр. 224 - 227) было напечатано сообщение из Института зоологии ЛИ УССР, во главе которого стоял в то время академик II. И. Шмальгаузсн. Автором сообщения был 33-летний С. А). Гершензон, представил статью к печати академик И. И. Вавилов.
Статья называлась «Вызывание направленных мутаций у «Drosophila tnelanogaster». В ней излагались результаты опыта по скармливанию личинкам дрозофилы натриевой соли тимонуклсиновой кислоты.
Тимонуклеиновой кислотой называли в 30-х годах не, что иное, как ДНК. Различение нуклеиновых кислот по сахару, на котором они «замешаны» - рибозе или дезоксирибозе, -, а также сокращенные названия - РНК, ДНК - вошли в обиход позднее. А тридцать с лишним лет назад, когда о нуклеиновых кислотах вообще еще мало, что было известно, имена им давали произвольно, нередко - по источнику добывания. Тимонуклеиновую кислоту, в частности, окрестили так потому, что ее добывали из тимуса (вилочковой железы) теленка.
В опытах С. М. Гершензона ДНК вилочковой железы теленка добавлялась в высокой концентрации к обычной дрожжевой среде, на которой воспитывались личинки дрозофилы. Часть личинок погибала, остальные завершали цикл развития, и превращались во взрослых особей. У этих мух был обнаружен ряд отклонений, касавшихся главным образом формы, размеров и жилкования крыльев. Измененные особи были скрещены затем со своими нормальными братьями, и сестрами. Примерно у 5 процентов потомства были найдены мутации, они касались в основном строения крыльев и очень походили на те отклонения, которые возникали у мух, непосредственно подвергавшихся воздействию.
Таким образом, способность чужеродной ДНК влиять на наследственные свойства организма была доказана С. М Гершензоном (и доказана на объекте, идеально изученном в генетическом отношении) за 5 лет до того, как опубликовали свои результаты Эвери, МакЛеод, и МакКарти Замечательно, что уже в этой своей работе Сергей Михайлович говорит о широких перспективах, открываемых новой экспериментальной методикой (вызыванием мутаций с помощью чужеродных нуклеиновых кислот) для «пocтижения химзма генов»
Так классическая генетика с ее излюбленным экспериментальным объектом дрозофилой привела С. М. Гершензона на то же место, которое пятью годами позже застолбил Эвери. От этого знаменательного перекрестка классической генетики с зарождавшейся генетикой бактерии, о этой межевой вехи, обозначенной тогда еще таинственным символом ДНК, и начинался путь к «двойной спирали»
НАСЛЕДСТВЕННАЯ ИНФОРМАЦИЯ, ВИРУСЫ И ЭВОЛЮЦИИ
По собственному свидетельству, Уотсон сто в 1952 году украсил стену своей комнаты в аспирантском общежитии Кембриджа рукописным лозунгом «ДНК -> РНК -> белок» «Стрелки - поясняет Уотсон, - обозначали не химические превращения, а перенос генетической информации от последовательности нуклеотидов в ДПК к последовательности аминокислот в белках»
В 1958 году после опубликования статьи Крика «Репликация биологических макромолекул» настенный лозунг «ДНК -> РНК -> белок» приобрел силу основного закона или «нейтральной догмы» молекулярной биологии (В общепринятом толковании смысл центральной догмы сводился к тому, что информация в клетке может передаваться только в одном направлении с ДНК на РНК, и с РНК на белок) Правда, 12 лет спустя Крик разъяснил, что он никогда не отрицал возможности других переносов, например, РНК-> ДНК или ДНК -* белок Но в 1958 году, да и в последующие 12 лет никто не уловил этих нюансов Все восприняли центральную догму грубо однозначно.
И только в 1970 году, когда в журналах самого серьезного толка, включая «Нэйчур», стали появляться статьи с ошеломляющими заголовками «Центральная догма перевернута вверх ногами», «Центральная догма отменена», - выяснилось, что в течение 12 лет имела место массовая ошибка восприятия, и, что истинный смысл правила Крика можно было бы выразить так «информация (о структурной последовательности) будучи передана белку, не может из него выйти»
Так или иначе, но, когда весной 1970 года стало очевидным, что информация (о структурной последовательности) может передаваться не только в направлении ДНК-*-РНК, но, и в обратном направлении (РНК-> ДНК), это открытие было расценено научной общественностью, как крупнейшее в молекулярной биологии за последние годы.
Коротко о том, что же произошло весной 1970 года. Двум исследователям из Висконсинского университета, X Темину, и С. Мизутани. удалось осуществить в пробирке синтез ДНК в присутствии РНК-содержашего опухолеродного вируса. Матрицей для вновь образующейся ДНК служила РНК вируса, а катализатором реакции-только, что открытый вирусный фермент (РНК-зависимая ДНК-полимераза). Почти одновременно аналогичные, результаты получил на другом РНК-содержащем вирусе еще один американский исследователь, Д Балтимор. Проверка данных Темина, Мизутани и Балтимора, предпринятая профессором С Спигелменом - директором института по изучению рака в Нью-Йорке (в проверочных опытах испытывалось уже шесть различных РНК-содержащих вирусов), полностью подтвердила эти данные.
Новое явление стало общепризнанным научным фактом, что, и было засвидетельствовано присвоением ему соответствующего названия обратная транскрипция (то есть переписывание информации в обратном направлении)
1970 год стал переломным в судьбе центральной догмы потому, что Темин пред ставил убедительное доказательство существования обратной транскрипции он продемонстрировал специфический фермент, ответственный за это явление Сама же возможность обратной транскрипции была показана экспериментально не в 1970, а десятью годами раньше. II авторами этих исследований были снова С. М. Гершензон, и его ближайшая сотрудница биохимик-Ирина Павловна Кок. ныне доктор биологических наук.
Группа С. М Гершензона, в которую позже включились, и сотрудники других отделов, работала с возбудителем желтухи, или ядерного полиэдроза у насекомых. Вирус ядерного полиэдроза (сокращение' ВЯП) - очень интересный вирус. Его присутствие в зараженных клетках легко обнаружить по появлению в них своеобразных, довольно крупных кристаллических включений, которые имеют форму многогранников (полиэдров), и располагаются в клеточных ядрах. Отсюда, и название болезни - ядерный полиэдроз. Многогранники состоят из белка, в который, как изюминки в тесто. вкраплены вирусные частицы Каждая такая частица представляет собой крохотную палочку с осевым цилиндром из ДНК, и наружной белковой «обмоткой». ВЯП, таки i образом, относится к числу ДПК-содержащих вирусов.
Попадая в клетку восприимчивого насекомого (а восприимчивы к ядерному полиэдрозу в основном чешуекрылые, или попросту бабочки), ВЯП начинает размножаться. Делает он это так же, как и всякий другой вирус сначала он снимает несколько копий с самого себя, то есть со своей ДНК (напомним, что в клетку проникает только вирусная ДНК с минимальным - «походным» - запасом белков-ферментов, необходимых для начальных этапов размножения вируса), а затем среди этих копий начинается разделение труда - одна группа молекул ДНК продолжает заниматься самовоспроизведением, другая запускает в ход белковый конвейер. Позже белок, и ДНК обьединяются, образуя полноценные вирусные частицы. Биосинтез вирусного белка идет по обычной схеме ДНК -> РНК -> белок.
Переписывание информации с РНК на белок - довольно сложный процесс, поскольку алфавит РНК состоит всего из 4 «букв», а алфавит белков - из 20. (Напомним, что нити ДНК и РНК построены из чередующихся четырех элементарных единиц - нуклеотидов, а белки состоят из комбинации 20 аминокислот.) Здесь работает целая бригада «переводчиков» - транспортных РНК, которые знают, какую «букву» белкового алфавита надо подставить вместо того или иного трехбуквенного «слова» из языка РНК. Причем эти переводчики - очень узкие специалисты каждый из них знает только одну «букву» белкового алфавита, и умеет переводить только с РНК-ового языка на язык белков (так по крайней мере считается на основании имеющихся на сегодня экспериментальных данных).
Перенос информации с ДНК на РНК осуществляется гораздо проще. Нуклеиновые кислоты говорят на близкородственных языках. Поэтому переводить с языка на язык можно почти механически достаточно получить оттиск с ДНК-ового клише и выправить в этом оттиске 2 типовые опечатки - «Д» исправить на «Р» (заменить сахар дезоксирибозу на рибозу), и «Т» на «У» (вместо тимина подставить другое азотистое основание - урацил). Теоретически вполне допустимо проделать такую же операцию и в обратном направлении, то есть снять клише с РНК-, а в оттиске поменять «Р» на «Д», и «У» на «Т»
Если теоретических преград для обратной транскрипции нет, почему бы не попробовать осуществить ее на деле.
Попробовали заражали здоровых гусениц не ДНК, а РНК, выделенной из клеток насекомых, больных ядерным полиэдрозом. II получили у подопытных насекомых типичную желтуху со всеми характерными симптомами болезни, а главное - с присущими данному заболеванию многогранниками в ядрах, в которых содержались полноценные вирусные частицы Инфекционная РНК оказалась вполне пригодной матрицей для синтеза вирусной ДНК. Так звучала основная интерпретация результатов эксперимента
Этот опыт выполнен в I960 году - за 3 года до опубликования первой работы Темина по обратной транскрипции и за 10 лег до того, как начала колебаться почва под центральной догмой Крика. Впрочем, С М. Гершензон искренне удивляется, когда его хотят представить, как ниспровергателя этого «краеугольного камня» молекулярной биологии. Сергей Михайлович вполне поддерживает центральную догму - в её нынешней, уточненной редакции, которая не явилась для него неожиданностью, поскольку он, судя по всему, с самого начала понял Крика правильно.
Отдавая должное имени, и славе Дарвина, Дотсон и Крик были в то же время весьма равнодушны к тем идеям, которыми эта слава заслужена. Молодой Уотсон без обиняков высказывался в том смысле, что «в Англии, а может быть, и во всем мире, ботаники и зоологи в значительной части - довольно бестолковая публика», причем верхом неразумности считалось тратить время, и силы на «бессмысленную полемику о возникновении жизни»1. Неизвестно, разделял ли столь экстремистские взгляды Крик, но, формулируя центральную догму, он явно абстрагировался от истории. «Подразумевалось, - признается он, - что она (то есть догма) относится только к современным организмам, а не к событиям отдаленного прошлого, таким, как происхождение жизни или возникновение кода»2. Кроме того, поясняет в той же статье Крик, в его распоряжении не было никаких данных о существовании механизма обратной транскрипции и «никаких оснований думать, что он мог бы быть необходим»
Мы по располагаем сведениями относительно того, интересовался ли событиями отдаленного прошлого Ховард Темин. Но у него были основания подозревать необходимость обратной транскрипции. И вот, какие.
Согласно вирусо-генетической теории рака, развиваемой школой выдающегося советского ученого Л. А. Зильбера с 1945 года, опухолеродный вирус осуществляет превращение нормальной клетки в злокачественную путем включения своей нуклеиновой кислоты в генетический аппарат хозяина. В случае ДНК-содержащего вируса теоретических препятствий к такой операции нет. Но, как быть с РНК содержащими вирусами (а многие опухолеродные вирусы содержат именно РНК, а не ДНК, и Темин, как раз работал с одним из таких вирусов. Не может же РНК вируса встраиваться в ДНК хозяина - такое предположение, хотя и выдвигалось в свое время, считалось большинством исследователей маловероятным. Оставалось предположить, что РНК-содержащие вирусы синтезируют в клетке свой ДНК-овый аналог, который, и включается затем в клеточный геном. Семь лет копил Темин доказательства в пользу этой гипотезы, пока не добился в 1970 году решающего успеха.
Итак, зачем обратная транскрипция была необходима Темину, понятно. А зачем она понадобилась Гершензону? Ведь он то работал с «законопослушным». ДНК-овым вирусом. Это, однако, не мешало Сергею Михайловичу интересоваться еще многими другими вещами, в том числе событиями отдаленного прошлого, и в частности, происхождением РНК-содержащих вирусов.
В самом деле, почему у этих вирусов наследственная информация записана в РНК, а не в ДНК, как у всех остальных организмов? Может быть, они утратили свою ДНК в ходе эволюционного регресса, шедшего в направлении крайнего упрощения организации? А может быть, напротив, РНК-овые вирусы сохранились, как «реликты» - своеобразные пережитки прошлого, свидетели давно прошедших времен, когда ДНК еще не существовало, а РНК была хранительницей наследственной информации у всех вообще организмов? Если это так, если ДНК - более поздняя эволюционная надстройка, чем РНК, значит, в процессе эволюции должен был сложиться механизм переписывания генетической информации с РНК на ДНК- А если этот механизм, когда-то существовал, значит, его рудименты могли сохраниться, и поныне (как зубы мудрости или червеобразный отросток). Ведь сохранились же сами РНК-овые реликты!
К чему привел этот ход рассуждений, читатель уже знает
Остается добавить, что в изучение обратной транскрипции включились сейчас десятки исследовательских коллективов. Выяснилось, что это явление распространено в природе гораздо шире, чем предполагалось вначале. Открыт целый комплекс ферментов, ответственных не только за переписывание информации с РНК на ДНК, по и за размножение копий новообразований ДНК, а также за их включение в геном хозяина (один из этих ферментов «разрезает». ДНК на части, а другой их «сшивает»).
Такие ферменты обнаружены не только у опухолеродных, по, и других РНК-содержащих вирусов, в частности, у тех^ которые вызывают медленно развивающиеся инфекции (так называемые анкорновирусы), и - более того - в нормальных клетках! В связи с этими открытиями намечаются увлекательнейшие перспективы исследований в области биологии развития, нейрофизиологии, онкологии, иммунологии. В самое последнее время с помощью обратной транскрипции в трех американских лабораториях осуществлен внеклеточный синтез гена, кодирующего структуру молекулы гемоглобина. Это большой успех. До сих пор, пользуясь методами искусственного синтеза ДНК, разработанными американским химиком-органиком (индейцем по происхождению) Гобиндой X. Хораной, Нобелевским лауреатом 1968 года, удавалось получать лишь небольшие «гены» - размером в несколько десятков нуклеотидов. Для целей генетической «инженерии» (исправления наследственных дефектов у больных, получения новых - улучшенных - пород животных, и сортов растений) такие относительно короткие участки ДНК могли иметь лишь ограниченное применение Кроме того, процесс их воссоздания был дорогостоящим и трудоемким. Обратная транскрипция уже сейчас позволяет легко, и при сравнительно небольших затратах получать большие - размером в 1 000 и более нуклеотидов - «натуральные» гены.
Характеризуя одно из новых направлений в биологии макромолекул, интегратизм, академик А. А. Баев остроумно определил его, как «путь вперед, шагая в обратном направлении». Создается впечатление, что парадокс Баева имеет для современной молекулярной биологии даже более широкое значение, чем имел в виду его автор ведь исследования по обратной транскрипции, несомненно, тоже путь вперед, и тоже «в обратном направлении»
Остается также сказать, что сочетание научных интересов в области генетики с интересом к проблемам эволюции - характерная черта научного склада Сергея Михайловича Гершензона. Может быть, потому, что в молодости он прошел хорошую школу эволюционной генетики у одного из её основоположников, С. С. Четверикова. Может быть, потому, что он много лет работал рядом с И. И. Шмальгаузеном - -эволюционистом номер один XX века. А скорее всего потому, что эволюционизм - вообще одна из славных традиций нашей отечественной биологии и, будем надеяться, залог ее грядущих успехов.
