Валерий Чолаков
Нобеловите награди (50) (Учени и открития (1901–1982))

Молекулярна генетика

В 1935 г. при известния генетик Борис Ефруси в Париж пристигна един млад изследовател от Калифорнийския технологически институт. Това беше Джордж Бийдъл, който заедно с френския си колега предприе експерименти в граничната област между генетиката и биохимията. Малката мушица дрозофила все още беше предпочитаният обект на генетиците. Двамата учени решиха да изследват как се унаследява при нея очният пигмент. Тези експерименти насърчиха Бийдъл да продължи да се занимава с биохимия на наследствеността и това го направи един от пионерите на молекулярната генетика, зародила се през 40-те години.

В 1937 г. Бийдъл отиде в Станфордския университет. Там той се срещна с Едуард Тейтъм и така започна едно много плодотворно сътрудничество. Най-напред двамата решиха, че дрозофилата е твърде сложен обект за изследване, и се насочиха към хлебната плесен Неуроспора. Тейтъм, който беше правил дисертация върху метаболизма на бактериите, като специалист микробиолог знаеше, че тази плесенна гъбичка може да расте върху изкуствена среда, съставена само от захар, соли и витамин H. В експериментите гъбичката се облъчваше с рентгенови лъчи и се получаваха мутантни форми. Най-характерната особеност на тези мутанти беше, че те не можеха да растат повече върху такава бедна среда. Необходимо беше да се добавят нови вещества, което бе изтълкувано като проява на нарушения в ензимните системи на организма.

От работите на Мълър беше добре известно, че рентгеновите лъчи предизвикват изменения на генетичния материал. Сега опитите на Бийдъл и Тейтъм показваха как мутациите в гените директно се отразяват върху ензимните системи на организмите. Това бе първото доказателство, че гените регулират биохимичните функции на живите същества. Обобщавайки резултатите си, в 1944 г. двамата учени излязоха с известната концепция „един ген, един ензим“.

През 1958 г. Нобеловият комитет при Каролинския институт реши да награди Бийдъл и Тейтъм за тяхното откритие, че гените регулират определени химични процеси. Заедно с тях бе награден и младият изследовател Джошуа Ледърбърг, който отрано стана известен с изследванията си върху генетиката на бактериите. През 1946 г. той отиде на работа при Тейтъм, който беше вече в Йейлския университет, и в разстояние на 2 години защити докторска дисертация.

Голямото откритие на Ледърбърг бе свързано с процесите на конюгация при бактериите. Когато се отглеждат съвместно, бактериалните клетки често се допират и си обменят генетичен материал. Ледърбърг и Тейтъм поставиха експеримент по съвместното отглеждане на мутанти от бактерията Ешерихия коли — един от любимите обекти на микробиолозите. Използваше се същият принцип за получаване на т.нар. ауксотрофни мутанти, които не могат да растат върху минимална среда, а имат нужда от специфични добавки. Двамата учени откриха, че при съвместното отглеждане на такива бактерии се появяват хибриди, които обединяват в себе си признаците на двата родителски типа. Това бе обяснено с конюгацията между клетките — своеобразен полов процес при бактериите.

При микроскопски изследвания Ледърбърг установи, че в точката на допиране между двете клетъчни стени преградата изчезва и се образува протоплазмено мостче. По него преминава ДНК от едната бактерия в другата. Това наблюдение доведе Ледърбърг до една много интересна идея. Ако се разтърси чашката с бактериите, връзката между бактериите се прекъсва преждевременно и се обменя само част от нормално преминаващия генетичен материал. Като се изследват после свойствата на хибридните щамове, може точно да се определи какви гени са преминали за определено време от едната бактерия в другата. Този оригинален метод даде възможност на Ледърбърг да съставя генетични карти на микроорганизмите.

В зависимост от клетъчния си строеж, живите организми се разделят на две големи групи. Едните са по-просто устроени и се наричат прокариоти, тъй като тяхната ДНК се намира в клетката, без да е специално обособена. Към тази група спадат бактериите. По-сложно устроените еукариоти имат клетъчно ядро, което е отделено с мембрана от клетъчната плазма и съдържа в себе си ДНК, свързана със специфични белтъчини под формата на хромозоми. Бактериалната ДНК понякога също се нарича хромозома. Поради своето по-просто устройство генетичният апарат на бактериите по-лесно се поддава на изследване и това даде възможност на френските учени Франсоа Жакоб и Жак Моно да изследват механизма за регулация на генната активност.

Мечтата на младия студент по медицина Франсоа Жакоб бе да стане хирург. Но дойде войната и той замина за Африка като военен лекар. По време на десанта в Нормандия той бе много тежко ранен и трябваше завинаги да се прости с плановете си. Това го насочи към научна кариера и в 1950 г. Жакоб попадна в Института „Пастьор“ при известния бактериолог и вирусолог Андре Лвов. Там вече беше на работа и Жак Моно, ученик на Лвов и Ефруси.

Един много важен въпрос, който се изучаваше тогава, бе лизогенията при някои бактерии. Това бе странно явление, при което върху плътните бактериални колонии изведнъж се появяваха светли петна, предизвикани от разлагане на клетките. Андре Лвов и неговите сътрудници установиха, че облъчването с ултравиолетови лъчи може да предизвика процес на разпадане при бактерии, които имат в своята наследственост фактора за лизогенност. Това откритие даде възможност на френския учен да даде първото правилно обяснение на лизогенията. Според него един вирус-бактериофаг, попадайки в клетката, вместо да започне да се размножава, се прикрепя към бактериалната ДНК. Ставайки част от генетичния апарат, той попада в механизма на генната регулация, която го инактивира. Някакво странично въздействие, като облъчване с ултравиолетови лъчи, може да откъсне профага от бактериалната хромозома и да го превърне в активен вирус, което означава гибел за клетката. Тази теория беше много интересна, защото за първи път поставяше въпроса за регулацията на генната активност. За своите изследвания върху генетичния контрол на вирусната синтеза Андре Лвов стана Нобелов лауреат по медицина и физиология за 1965 г.

Още от 40-те години се изказваха идеи, че хистоните — белтъчини, свързани с ДНК, може би регулират функциите на гените. В 1958 г. Франсоа Жакоб и Жак Моно, изучавайки синтезирането на ензима бета-галактозидаза, намериха аналогия с процесите на инхибиране при лизогенните бактерии, натрупвайки постепенно факти, в 1961 г. те излязоха със своята теория за регулацията на генната активност.

Според тях в ДНК освен структурните гени, които носят информацията за биосинтезите, има гени-регулатори и гени-оператори. Генът-регулатор кодира синтезирането на специфично вещество-репресор. То се присъединява към ген-оператора, който пряко регулира дейността на структурните гени. Така се прекъсва работата на гените и съответно синтезата на ензимите. Ако обаче в клетката влезе някакво вещество-индуктор, за чието разграждане е нужен ензим, репресорът започва да се съединява с него и това освобождава ген-оператора. Върху структурните гени започва синтезирането на информационна РНК, която е матрица за производството на нужния ензим. След като веществото се изчерпи, репресорът, който непрекъснато се продуцира от ген-регулатора, се свързва отново с оператора и процесът се прекъсва. Това е наистина един добър пример за приложение на кибернетичните принципи за обратна връзка на молекулярно равнище.

С помощта на своята теория Жакоб и Моно успяха да дадат по-подробно описание на лизогенията. Още преди тях беше известно, че гените на бактериофага се четат в различна последователност. Двамата учени показаха, че ако бъдат блокирани първите гени, спира целият синтез на вирусни частици и вирусната ДНК се прикрепя към бактериалната хромозома. Останалите гени на вируса може и да не бъдат блокирани и да функционират в бактериалната клетка, придавайки й нови свойства. Това обстоятелство се използва днес от генното инженерство.

Идеите на Жакоб и Моно оказаха голямо влияние върху развитието на молекулярната биология през 60-те години. През 1965 г. те получиха заедно с Лвов Нобеловата награда по медицина и физиология за открития във връзка с генетичния контрол на ензимния и вирусния синтез.

За появата на молекулярната генетика от голямо значение бяха изследванията върху най-простите живи същества — вирусите. Особено изучаването на бактериофагите се оказа изключително полезен етап в развитието на науката. Трима души имат големи заслуги в тази област — Макс Делбрюк, Алфред Хърши и Салвадор Луриа. Един физик, един биохимик и един лекар, които превърнаха учението за бактериофагите в наука.

Още в 1939 г. Делбрюк, заедно с Елис, изучи цикъла на размножение на фагите. Бяха открити три етапа: прикрепяне към бактерията, скрит период, през който фагът се размножава в клетката, и период на разпадане, водещ до унищожаването на бактерията и отделянето на голям брой нови фаги. Този процес нагледно показваше как външното генетично влияние може коренно да промени функциите на живата клетка. Още в средата на 30-те години беше известно, че вирусите са нуклеопротеиди, подобни на хромозомите на висшите организми. Това ги правеше особено интересни като модел за изучаването на функциите на гена. Именно това накара Макс Делбрюк да се заеме в 1939 г. с бактериофагите.

Пълният цикъл на размножение на тези вируси продължава около 15 минути, като от една частица се получават стотици потомци. Очевидно това значително ускорява изследванията, а простото устройство на фагите, разкрито от Луриа, даде възможност да се въведат и изпитат нови методи на изследване. В 1946 г. Делбрюк, Хърши и други учени откриха рекомбинация на гени при вирусите, което позволи да се построят генни карти. В 1952 г., с помощта на белязани атоми, Хърши доказа, че само ДНК е от значение за репликацията на вирусите. Въпреки че още от експериментите на Ейвъри се знаеше за ролята на ДНК, едва след тази работа бяха рязко изменени възгледите за природата на гена. Луриа откри комплекс ензими и особени състояния на клетката, при които тя може да се противопоставя на бактериофага, това се оказа ценно за генното инженерство.

Голям брой учени станаха в края на 50-те и през 60-те години Нобелови лауреати за постижения в генетиката. Тримата патриарси на съвременната молекулярна генетика Макс Делбрюк, Алфред Хърши и Салвадор Луриа трябваше обаче доста да чакат, докато бъдат оценени техните основополагащи трудове. Едва в 1969 г. те бяха удостоени с Нобеловата награда по медицина и физиология.

Изследванията върху бактериофагите показаха, че те са способни да се присъединяват към генетичния апарат на бактерията и да стават част от нейния геном. В резултат на това вместо да загине, клетката продължава да се размножава, като може да придобие някои нови свойства. Скоро тези наблюдения бяха разширени и върху други вируси и по-специално за т.нар. онкогенни вируси.

Още в 1911 г. Пейтън Раус установи със сигурност, че един вид саркома при птиците, който сега носи неговото име, се причинява от вирус. През 1965 г. Ренато Дулбеко, италиански учен, работещ в САЩ, установи, че вирусът на полиомата може да се присъединява към клетъчната ДНК и да става част от нея. Обикновено този вирус предизвиква инфекция, но в тъканни култури причинява неопластична трансформация. Това бе важно откритие в полза на вирусната теория за раковите заболявания. Изясни се обаче, че по-голямата част от подозираните онкогенни вируси съдържат РНК като основен генетичен материал. В това число влизаше и добре известният вирус на саркомата на Раус. Не беше ясно как тези вируси, съдържащи РНК, могат да се присъединят към клетъчната ДНК на висшите организми.

За да реши това противоречие, Хауърд Темин от Уисконсинския университет предположи, че е възможен процес на обратна транскрипция. Един от основните стълбове на молекулярната генетика беше схващането, че наследствената информация се движи единствено по линията ДНК–РНК–белтък. Темин предположи, че вирусната РНК се транскрибира в ДНК, която се присъединява към клетъчния геном.

Отначало това схващане бе посрещнато със силна съпротива, но в 1970 г. Темин, едновременно с Дейвид Болтимор от Масачузетския технологически институт, откри ензима РНК–зависима ДНК–полимераза, или по-накратко обратна транскриптаза. Именно този ензим осъществява синтез на ДНК върху матрицата на вирусната РНК.

Откриването на обратната транскрипция и на присъединяването на вирусите към клетъчния геном вдъхна нови надежди за по-нататъшен успех на медицината. Наред с това тези открития имаха и чисто теоретично значение, разкривайки нови детайли от молекулярните механизми на генетиката. За своите успехи в тази област Дейвид Болтимор, Хауърд Темин и Ренато Дулбеко станаха Нобелови лауреати по медицина и физиология през 1975 г.