Открытие Уотсона и Крика подвело молекулярную базу под идеи Шредингера и положило начало молекулярной биологии. В основе работы генов, как отмечал Шредингер, лежит репликация (копирование). Классическая статья Уотсона и Крика завершалась предложением, которое стало знаменитым: «От нашего внимания не ускользнуло, что постулированные нами специфические парные связи позволяют сразу предположить механизм копирования генетического материала».
Модель двойной спирали показывает, как реплицируются гены. Когда во время репликации две цепочки ДНК расплетаются, каждая материнская цепочка служит матрицей для синтеза комплементарной дочерней цепочки. Содержащая информацию последовательность, в которой расположены нуклеотиды в материнской цепочке, определяет последовательность нуклеотидов в дочерней: А будет связываться с Т, а Г — с Ц. Впоследствии дочерняя цепочка может служить матрицей для синтеза следующей, новой цепочки. Этот механизм позволяет достоверно копировать ДНК перед делением клетки, чтобы дочерним клеткам доставались копии ДНК материнской. Он работает во всех клетках организма, в том числе в сперматозоидах и яйцеклетках, тем самым обеспечивая воспроизводство организма и передачу генетической информации из поколения в поколение.
Отталкиваясь от механизма репликации генов, Уотсон и Крик также предположили возможный механизм синтеза белков. Из того, что каждый ген управляет синтезом какого-то определенного белка, они сделали вывод, что последовательность нуклеотидов в каждом гене кодирует соответствующий белок. Для синтеза белков, как и для репликации генов, эта закодированная информация считывается путем создания комплементарной копии участка цепочки ДНК. Но при синтезе белков, как показали дальнейшие исследования, эту информацию переносит вспомогательная молекула так называемой информационной РНК (рибонуклеиновой кислоты). Как и ДНК, информационная РНК — это нуклеиновая кислота, состоящая из нуклеотидов четырех типов. Три из них (аденин, гуанин и цитозин) соответствуют нуклеотидам ДНК, а четвертый (урацил) входит только в состав РНК, вместо тимина. Для синтеза белка две цепочки ДНК в пределах одного гена отходят друг от друга, и информация с одной из них копируется на информационную РНК. Затем последовательность нуклеотидов информационной РНК считывается, и в соответствии с ней синтезируется белок. Так Уотсон и Крик
[27]
сформулировали центральную догму молекулярной биологии: на матрице ДНК синтезируется РНК, а на матрице РНК синтезируется белок.
Следующим шагом должна была стать расшифровка генетического кода, то есть выяснение тех правил, по которым последовательность нуклеотидов в молекулах информационной РНК преобразуется в последовательность аминокислот в белках — в том числе в белках, задействованных в хранении памяти. Первые серьезные попытки расшифровать этот код были сделаны в 1956 году, когда Фрэнсис Крик и Сидней Бреннер попытались ответить на вопрос, как с помощью четырех нуклеотидов могут быть закодированы двадцать аминокислот, из которых состоят молекулы белков. Если бы соответствие было один к одному, то есть каждый нуклеотид кодировал бы одну аминокислоту, это позволяло бы закодировать только четыре аминокислоты. Если бы каждой аминокислоте соответствовала определенная пара нуклеотидов, это позволяло бы закодировать шестнадцать аминокислот. Но чтобы закодировать двадцать разных аминокислот, как было показано Бреннером, система должна быть основана на триплетах, то есть на разных сочетаниях из трех нуклеотидов. Однако таких сочетаний не двадцать, а шестьдесят четыре. Поэтому Бреннер предположил, что код, основанный на триплетах, вырожден (избыточен), то есть одну и ту же аминокислоту могут кодировать разные триплеты нуклеотидов.
В 1961 году Бреннер и Крик доказали, что генетический код представляет собой последовательность нуклеотидных триплетов, каждый из которых служит инструкцией для включения в белок строго определенной аминокислоты. Но они не еще не знали, какие триплеты соответствуют каждой аминокислоте. В тот же год, но позже это выяснили Маршалл Ниренберг из Национальных институтов здоровья и Хар Гобинд Корана из Висконсинского университета. Они проверили концепцию Бреннера и Крика биохимическими методами и расшифровали генетический код, установив, какие комбинации нуклеотидов кодируют каждую аминокислоту.
В конце семидесятых Уолтер Гилберт из Гарварда и Фредерик Сэнгер из Кембриджа разработали новый биохимический метод, позволяющий сравнительно легко секвенировать ДНК, то есть считывать последовательность нуклеотидов в отрезках цепочек ДНК и тем самым определять, какой белок кодируется тем или иным геном. Это был огромный шаг вперед. Он позволил ученым узнать что в разных генах имеются одни и те же последовательности, кодирующие одинаковые или похожие участки молекул многих разных белков. Эти узнаваемые участки, которые назвали доменами, выполняют одни и те же биологические функции независимо от того, в состав какого белка входят. Таким образом, ученые получили возможность по некоторым последовательностям нуклеотидов, входящих в состав гена, определять отдельные функции белка, кодируемого этим геном, например, будет ли это киназа, ионный канал или рецептор. Кроме того, появилась возможность, сравнивая последовательности аминокислот в молекулах разных белков, выявлять черты сходства белков, работающих в разных системах, например в разных клетках тела и даже в непохожих друг на друга организмах.
Эти последовательности и их сравнение позволили ученым описать принципиальные механизмы работы клеток и передачи сигналов между ними, тем самым заложив концептуальные основы для изучения множества явлений живой природы. В частности, такие исследования в очередной раз показали, что разные клетки и даже разные организмы состоят из одного и того же материала. У всех многоклеточных организмов имеется фермент, синтезирующий циклический АМФ, а также киназы, ионные каналы и так далее. Более того, половина генов, работающих у человека, есть и у намного проще устроенных беспозвоночных животных, таких как червь Caenorhabditis elegans, муха дрозофила и моллюск аплизия. Геном мышей содержит больше 90 %, а геном высших обезьян — около 98 % кодирующих последовательностей, общих с человеческим геномом.
После методов секвенирования ДНК важнейшим достижением молекулярной биологии, которое и привело меня в эту науку, была разработка метода рекомбинантной ДНК и методов клонирования генов, позволяющих идентифицировать и определять функции отдельных генов, в том числе работающих в мозгу. Первый этап этих методов состоит в том, чтобы выделить из клеток человека, мыши или моллюска ген, который мы хотим исследовать, то есть отрезок ДНК, кодирующий определенный фермент. Это можно сделать, выяснив положение гена в хромосоме и вырезав его из хромосомы молекулярными ножницами — ферментами, разрезающими ДНК в соответствующих местах.
Следующий этап состоит в том, чтобы сделать много копий этого гена (процедуру называют клонированием генов). При клонировании концы вырезанного гена присоединяют к отрезкам ДНК другого организма, например бактерии, создавая так называемую рекомбинантную ДНК: рекомбинантную — потому что присоединение гена, вырезанного из ДНК одного организма, к ДНК другого организма — это перекомпоновка (рекомбинация) молекул ДНК. Геном бактерии удваивается каждые двадцать минут, в результате чего мы получаем множество одинаковых копий исходного гена. Заключительный этап состоит в том, чтобы найти белок, кодируемый этим геном, чего можно достичь с помощью прочтения последовательности нуклеотидов, то есть молекулярных элементов, из которых состоит ген.
