Джеймс Д. Уотсън, Андрю Бери
ДНК: Тайната на живота (6)

Трета глава
Разчитане на кода: Вдъхване на живот на ДНК

Дълго преди опитите на Осуалд Ейвъри да привлекат всеобщото внимание към ДНК като „принцип на трансформацията“, генетиците опитват да разберат как точно наследственият материал, каквото и да представлява, е в състояние да повлияе върху характеристиките на конкретния организъм. Как „факторите“ на Мендел се отразяват върху формата на граха и го правят ту набръчкан, ту гладък?

Първото осветляване на въпроса идва точно на границата между XIX и XX век, непосредствено след преоткриването на труда на Мендел. Английският лекар Арчибалд Геръд, чийто бавен напредък в медицинското училище и странна нетактичност към пациентите стават причина да се насочи към областта на изследванията вместо към грижите за болните в болницата „Сейнт Бартоломю“ в Лондон, проявява интерес към група редки заболявания, чийто подчертан общ симптом е необичайно оцветената урина. Едно от тях, алкаптонурия, получава прозвището „синдром на черната пелена“, защото урината на засегнатите от него хора почернява при контакт с въздуха. Въпреки този плашещ симптом, болестта обикновено няма смъртоносен изход, макар понякога по-късно в живота да води до наподобяващо артрита състояние, тъй като черните сегменти от урината се натрупват в ставите и в гръбначния стълб. Тогавашната наука приписва почерняването на веществото, произвеждано от живеещите в корема бактерии, но Геръд оспорва с довода, че, тъй като в червата на новородените липсват бактериални колонии, се налага само един извод: черната урина се произвежда от самото тяло на засегнатия от заболяването. И стига до заключението, че е резултат от някакъв недостатък в химическата машина на тялото, „грешка на метаболизма“, по неговите думи, навяваща на мисълта за критично нарушаване на функциите в някоя биохимична пътека.

Геръд продължава да изследва по-нататък алкаптонурията; макар и много рядко срещана по принцип, от нея най-често са засегнати децата на кръвни роднини. През 1902 година той успява да обясни този феномен с помощта на наскоро преоткрития закон на Мендел. Тук е проявен моделът на наследяване, който може да се очаква от един рядък рецесивен ген: да речем двама първи братовчеди са получили екземпляр от гена на алкаптонурията от един и същ дядо или баба, което създава вероятност едно на четири от връзката им да се роди хомозиготно (тоест дете с две копия от въпросния рецесивен ген) дете, и следователно то ще заболее от алкаптонурия. Като съчетава биохимичните и генетичните си анализи, Геръд заключава, че алкаптонурията е „вродена грешка в метаболизма“. Макар никой да не оценява това тогава, Геръд пръв прави връзка между гените и проявата на тяхното действие на физиологично ниво. В известен смисъл гените ръководят метаболитните процеси и грешката в някой от тях (мутация) може да доведе до дефектното осъществяване на един или друг метаболитен процес.

Следващата значителна крачка в тази област е направена едва през 1941 година, когато Джордж Бидъл и Ед Татъм публикуват изследването си за причинените от тях мутации върху вид тропическа хлебна плесен. Бидъл израства край Уаху, Небраска, и е щял да поеме в свои ръце семейната ферма, ако преподавателят по естествени науки в гимназията не го бил насърчил да помисли за друга професия. През трийсетте години на XX век, първо в Калтек, в сътрудничество с прочулия се със своите плодови мушици Т. Морган, а след това във Физикохимическия биологичен институт в Париж, Бидъл се старае да си изясни как гените осъществяват магическото си въздействие, определящи какво ли не в бъдещия организъм, в това число и цвета на очите при плодовите мушици. При пристигането си в Станфордския университет през 1937 година, той привлича Татъм, като обединява с него усилията си въпреки мнението на своите академични съветници. Ед Татъм завършва и получава следдипломната си квалификация в Уисконсинския университет, изследвайки живеещите в прясното мляко бактерии (които се намират в изобилие в тъй наречения „щат на сиренето“). Макар работата с Бидъл да обещава да бъде предизвикателство в интелектуално отношение, уисконсинските професори на Татъм го съветват, в името на финансовата сигурност, да се насочи към млекопреработвателната индустрия. За щастие на науката, Татъм избира Бидъл пред маслото.

Бидъл и Татъм стигат до извода, че плодовите мушици са прекалено сложни за предстоящите изследвания; откриването на ефекта само от една мутация в едно толкова сложно същество като Drosophila, би било равносилно да търсиш игла в купа сено. Затова решават да работят с много по-прост вид, Neurospora crassa, оранжево-червената плесен, която се появява върху хляба в тропическите страни. Планът е прост: плесента да се облъчи с рентгенови лъчи, за да се предизвикат мутации (точно както бе постъпил с плодовите мушици Мълър) и след това да се опита да се определи как получените мутации ще се отразят върху гъбичките. Те възнамеряват да проследят ефекта от мутацията по следния начин. Знае се, че нормалната (тоест немутиралата) Neurospora може да оцелее в тъй наречената „среда на минималистична култура“; подложени на тази „диета“, гъбичките очевидно са в състояние да синтезират по биохимичен път всички по-големи молекули, които са им необходими за живот, изграждайки ги от по-малките в хранителната си среда. Бидъл и Татъм предполагат, че мутацията, която изкарва от строя някоя от тези пътеки за осъществяването на въпросния синтез, ще направи невъзможно съществуването на облъчения щам в тази минималистична среда; същият този щам би трябвало обаче да се развива много добре в „пълноценна“ среда, съдържаща всички необходими за живота молекули, като аминокиселини и витамини. С други думи, възпрепятстващата синтеза на ключова хранителна съставка мутация е безвредна, когато въпросната съставка може да се набави директно от средата.

Бидъл и Татъм облъчват около пет хиляди образеца и след това се заемат да тестват всеки един от тях, за да видят дали е способен да оцелее в минимално снабдена с хранителни съставки среда. Първият оцелява без проблеми; вторият — също; и третият… Едва когато тестват щам номер 299 откриват един, който вече не е в състояние да съществува в минималистична среда, макар, както се предполагало, да живее нормално в пълноценна хранителна среда. Номер 299 е само първият от многото мутирали щамове, които ще анализират. Следващата стъпка е да се разбере точно каква способност са изгубили мутантите. Може би 299 не е можел да синтезира незаменими мастни киселини. Бидъл и Татъм добавят аминокиселини към минималистичната среда, но 299 пак не се развива. Добавката на витамини обаче, променя положението коренно и 299 процъфтява. Двамата учени започват да стесняват полето на изследванията, като добавят всеки витамин поотделно и след това преценяват реакцията на 299. Ниацинът не му се отразява благотворно, нито рибофлавинът, но когато добавят витамин B₆, 299 придобива способността да оцелява в минималистична среда. Причинената с рентгеново облъчване мутация на 299 по някакъв начин нарушава пътеката, отговаряща за производството на витамин B₆. Но как? Тъй като знаят, че биохимичният синтез от този тип се управлява от протеиновите ензими, съдействащи на отделните инкрементални химически реакции по тази пътека, Бидъл и Татъм изказват идеята, че всяка от откритите от тях мутации е извадила от строя един или друг ензим. А след като мутациите са станали в гените, значи ензимите се произвеждат от тях. При появата си през 1941 година, изследването им вдъхновява раждането на девиз, обобщаващ достигнатото до този момент разбиране за работата на гените: „Един ген, един ензим“.

Но тъй като тогава се е смятало, че всички ензими са протеини, скоро на дневен ред се поставя въпросът дали в гените са кодирани и множеството клетъчни протеини, които не са ензими. Първото предположение, че гените осигуряват информация за всички протеини, идва от лабораторията на Лайнъс Полинг в Калтек. Заедно със своя студент Харви Айтъноу той изследва хемоглобина — протеинът в червените кръвни телца, който пренася кислород от белите дробове до метаболитно активните тъкани като мускулите, където е необходим. В частност те се фокусират върху хемоглобина на хора със сърповидно-клетъчна анемия, характерно за негрите заболяване. Червените кръвни телца на нейните жертви се деформират, придобивайки сърповидна форма, както се установява при наблюдение под микроскоп, и получените в резултат на това блокажи в капилярите могат да бъдат изключително болезнени, дори смъртоносни. По-нататъшните изследвания водят до откриването на еволюционното обяснение на факта, че заболяването засяга предимно негрите. Тъй като част от жизнения цикъл на причинителя на маларията преминава в червените кръвни телца, хората със сърповиден хемоглобин понасят маларията по-леко. Изглежда човешката еволюция е сключила фаустовска сделка в полза на някои от обитателите на тропическите региони: засегнатите от сърповидно-клетъчна анемия имат известна защита срещу пораженията от маларията.

Айтъноу и Полинг сравняват хемоглобиновите протеини на хора със и без сърповидно-клетъчна анемия и откриват, че двете молекули се различават по електрическия си заряд. Приблизително по същото време, в края на четирийсетте години на XX век, генетиците определят, че сърповидно-клетъчната анемия се предава като класическа Менделова рецесивна характеристика. И заключават, че тази болест се причинява от мутация в гена на хемоглобина, която засяга химическия състав на получения в резултат хемоглобинов протеин. И така, Полинг успява да усъвършенства идеята на Геръд за „вродените грешки в метаболизма“, като признава някои за така наречените от него „молекулярни болести“. Сърповидно-клетъчната анемия е именно това — „молекулярна болест“.

През 1956 година историята за сърповидно-клетъчния хемоглобин напредва с още една стъпка благодарение на работещия в лабораторията „Кавендиш“ Върнън Инграм, там, където с Франсис Крик открихме двойната спирала. Използвайки наскоро открити методи за идентифициране на специфични аминокиселини във веригата, изграждаща протеини, Инграм успява да уточни молекулярната разлика, която Айтъноу и Полинг забелязват, че се отразява върху общия заряд на молекулата. Всичко се свежда до една-единствена аминокиселина. Инграм определя, че глутаминовата киселина, открита на шеста позиция в нормалната протеинова верига, в сърповидно-клетъчния хемоглобин се замества от валин. Това е явно доказателство, че генетичните мутации (разликите в последователността на А-та, Т-та, Г-та и Ц-та в ДНК код на гена) могат да бъдат отнесени директно към аминокиселинните последователности в протеините. Протеините са активни молекули на живота: те формират ензимите, които катализират биохимичните реакции и също така осигуряват основните структуриращи компоненти на тялото като кератина, от който се състоят кожата, косата и ноктите. Следователно ДНК осъществява магическия си контрол върху клетките, върху развитието, върху живота като цяло посредством протеините.

Но как кодираната в ДНК информация — молекулярна верига от нуклеотиди, А-та, Т-та, Г-та и Ц-та, се преобразува в протеини, верига от аминокиселини?

 

 

Скоро след като с Франсис Крик публикувахме доклада си за двойната спирала, започна да ни пише известният физик теоретик Джордж Гамов, роден в Русия. Писмата му, неизменно писани на ръка и разкрасени с карикатури и завъртулки, някои съвсем уместни, други — не чак толкова, винаги бяха подписани просто с Джо. Той проявяваше интерес към ДНК и още преди Инграм да демонстрира убедително връзката между базовата последователност на ДНК и аминокиселинната последователност в белтъците, бе прозрял връзката между ДНК и протеините. Усещайки, че биологията най-сетне се превръща в точна наука, Гамов предвиждаше настъпването на времето, когато всеки организъм ще може да бъде описан генетично с много дълга поредица от числа, представена изключително от цифрите 1, 2, 3 и 4, всяко едно от които представящо някоя от базите А, Т, Г и Ц. В началото го помислихме за човек, който обича да се прави на шут и не обърнахме внимание на първото му писмо. Няколко месеца по-късно обаче, когато Крик се запозна с него в Ню Йорк, осъзнахме мащабите на неговите дарби и веднага го приехме в екипа на ДНК като един от първите му членове.

Гамов бе избягал в Съединените щати през 1934 година, за да се спаси от тиранията на Сталиновия Съветски съюз. В един доклад от 1948 година той обяснява изобилието от различни химически елементи във вселената във връзка с термонуклеарните процеси, протекли в ранните фази на Големия взрив. Изследванията, които Гамов прави заедно със своя студент на следдипломна квалификация Ралф Алфър, щяха да бъдат публикувани като дело на „Алфър и Гамов“, ако последният не бе решил да включи и името на приятеля си Ханс Бете, несъмнено изключително талантлив физик, който обаче не бе допринесъл с нищо за въпросните изследвания. Заклетият шегаджия Гамов бе очарован, че материалът се появи, подписан от „Алфър, Бете и Гамов“, както и от факта, че бе публикуван на първи април. И досега космолозите говорят за статията като за „доклада αβγ“ (алфа-бета-гама).

Когато се запознах с Гамов през 1954 година, той вече беше изнамерил официална таблица, в която предлагаше отчасти застъпващите се тройки от ДНК бази да служат за уточняването на определени аминокиселини. За основа на теорията му служеше възгледът, че на повърхността на всяка базова двойка съществува кухина, пасваща по форма с повърхността на една от аминокиселините. Казах му, че се отнасям скептично към тази идея: ДНК не можеше да бъде директният шаблон, върху който се нареждат аминокиселините, преди да се свържат в полипептидни вериги, както се наричат свързаните дълги поредици от аминокиселини. Тъй като беше физик, Гамов вероятно не беше чел научните доклади, отхвърлящи теорията, че синтезът на протеини се осъществява там, където се намира ДНК — в ядрото. Нещо повече, съществуваха наблюдения, че отделянето на ядрото от клетката не се отразява веднага върху темпа, с който се произвеждат белтъци. Днес знаем, че аминокиселините се свързват в протеини в рибозомите — малки клетъчни частици, съдържащи втора форма нуклеинова киселина, наречена „РНК“.

По онова време не беше ясно точно каква роля играе РНК (рибонуклеинова киселина) в биохимическия пъзел на живота. В някои вируси, като мозаечния вирус по тютюна, тя като че ли изпълняваше роля, подобна на ДНК в другите видове, кодирайки специфичните за този организъм белтъци. А в клетките РНК трябваше да участва по някакъв начин в синтеза на протеини, защото произвеждащите много протеини клетки бяха винаги богати на РНК. Още преди да открием двойната спирала, мислех, че е напълно вероятно генетичната информация в хромозомната ДНК да се използва за направата на веригите РНК от взаимно допълващи се последователности. Тези вериги РНК може би от своя страна служеха като шаблони, уточняващи реда на аминокиселините в съответните белтъци. Ако беше така, РНК беше посредник между ДНК и протеините. По-късно Франсис Крик щеше да започне да говори за потока на информация ДНК-РНК-протеини като за „централната догма“. Този възглед скоро бе подкрепен от откриването през 1959 година на ензима РНК полимераза. Буквално във всички клетки той катализира производството на единични РНК вериги от шаблони от ДНК с двойна верига.

Очевидно главните ключове към процеса, по който се произвеждат белтъци, щяха да бъдат открити при по-нататъшното изследване на РНК, а не на ДНК. За да насърчим каузата за „откриването на кода“ (разшифроването на изплъзващата се връзка между последователностите в ДНК и последователностите от аминокиселини в протеините) с Гамов образувахме „ДНК Тай клъб“. Броят на членовете му щеше да бъде ограничен до двайсет, по един за всяка една от двайсетте аминокиселини. Гамов измисли модела на вратовръзката за членовете на клуба и поръча различни игли за вратовръзка според съответната аминокиселина. Те щяха да бъдат нещо като отличителни значки, като на всяка беше гравирано стандартното трибуквено съкращение на определена аминокиселина и носещият я член щеше да отговаря за нейното изучаване. Аз носех PRO от пролин, а Гамов — ALA от аланин. По това време буквите върху иглата за вратовръзка обикновено представляваха инициалите на човека, който я носеше, и на Гамов му беше забавно да обърква хората със своята ALA игла. Шегата му обаче имаше и неприятни последици, например когато един хотелски служител с остър поглед отказа да уважи чека му, тъй като забеляза, че името върху чека няма нищо общо с инициалите върху иглата.

Фактът, че по-голямата част от двайсетимата членове на клуба всъщност бяха учени, които се интересуваха по това време от проблема с кода, показва колко малък беше светът на ДНК-РНК. Гамов вмести без проблеми един приятел, който не беше биолог, а физик, Едуард Телър (LEU — левцин), аз пък въведох Ричард Фейнман (GLY — глицин), изключителен физик от Калтек с невероятно въображение; често когато се чувстваше за момент безпомощен в изследването си върху вътрешните атомни сили, той ме навестяваше в сградата по биология.

Един от елементите от таблицата на Гамов от 1954 година имаше предимството, че може да бъде тестван; той включваше частично съвпадащи ДНК тройки и предсказваше, че много от възможните двойки съседни аминокиселини в действителност никога няма да бъдат намерени в съседство в протеините. Затова Гамов очакваше трепетно секвенционирането на допълнителните белтъци. За негово разочарование започнаха да откриват все повече аминокиселини близо една до друга и схемата му ставаше все по-несъстоятелна. Довършващият удар за кодовете на Гамов дойде през 1956 година, когато Сидни Бренър (VAL — валин) анализира всички аминокиселинни последователности, с които се разполагаше тогава.

Бренър бе израснал в градче близо до Йоханесбург, Южна Африка, в двете стаи зад обущарската работилница на баща си. Макар Бренър-старши, имигрант от Литва, да бе неграмотен, неговият преждевременно развиващ се син открива любовта си към четенето на четиригодишна възраст и, воден от тази страст, проявява огромен интерес към биологията след прочитането на книгата „Науката на живота“. Макар да му се бе наложило да признае, че е откраднал книгата от обществената библиотека, нито дребната кражба, нито бедността са в състояние да забавят неговия прогрес: на четиринайсетгодишна възраст е допуснат да учи медицина в Уитуотърстрандския университет. Той работеше върху докторската си дисертация в Оксфорд, когато дойде в Кеймбридж, месец след нашето откритие на двойната спирала. Ето как описва своята реакция при вида на нашия модел: „Тогава разбрах, че е точно така. Човек светкавично си дава сметка, че това е наистина нещо фундаментално.“

Гамов не беше единственият, чиито теории се оказаха неверни: и аз имах своите разочарования. Непосредствено след откриването на двойната спирала отидох в Калтек с намерението да открия строежа на РНК. За мое отчаяние с Александър Рич (ARG — аргинин) скоро разбрахме, че от рентгеновата дифракция на РНК се получават неподдаващи се на интерпретиране модели: структурата на молекулата очевидно не беше така красиво правилна, както молекулата на ДНК. Също толкова депресиращо, в бележката, която изпрати в началото на 1955 година до членовете на „Тай клъб“, Франсис Крик (TYR — тирозин) предсказа, че строежът на РНК няма да съдържа, както предполагах, тайната на ДНК — трансформиране на белтъците. Според него бе по-вероятно аминокиселините да се пренасят до мястото, където се осъществява синтезът на протеини, от тъй наречените от него „адапторни молекули“, по една специфична за всяка аминокиселина. Той предполагаше, че тези адаптори може би са съвсем малки РНК молекули. В продължение на две години се съпротивлявах срещу тази логика. Тогава едно съвсем неочаквано биохимично откритие доказа правилността на новата му идея.

То бе осъществено в Масачузетската болница в Бостън, където Пол Замечник от години разработваше неклетъчни системи за изучаване синтеза на протеини. Клетката е тяло, разделено на обособени части, и Замечник правилно забелязва необходимостта да изучава ставащото в тези части без усложненията, поставени от различните им мембрани. Използвайки получения от чернодробна тъкан на мишка материал, той и неговите колеги успяват да пресъздадат в епруветка опростен вариант на вътрешността на клетката, в която да изнамират обозначените по радиоактивен път аминокиселини при свързването им в белтъци. По този начин Замечник съумява да идентифицира рибозомата като мястото, където се синтезират протеините — факт, който Джордж Гамов не прие в началото.

Скоро заедно с колегата си Малоун Хоугланд, Замечник прави дори още по-неочаквано откритие: преди да бъдат инкорпорирани в полипептидни вериги, аминокиселините се свързват в малки РНК молекули. Този резултат ги озадачава, но само докато научават за адапторната теория на Крик. Тогава те бързо потвърждават предположението на Крик, че за всяка аминокиселина съществува конкретен РНК адаптор (наречен „транспортна РНК“). И всяка от тези транспортни молекули РНК има на повърхността си специфична последователност от бази, които дават възможност да се свързват със съответната част от шаблона на РНК и по този начин подреждат аминокиселините за белтъчния синтез.

До откриването на транспортната РНК се смяташе, че всяка клетъчна РНК играе роля на шаблон. Сега осъзнахме, че РНК може да има няколко различни форми, макар да преобладаваха двете големи РНК вериги, които включваха рибозомите. Озадачаващ за времето беше фактът, че въпросните две РНК вериги бяха с постоянни размери. Ако тези вериги бяха действителните шаблони за синтеза на протеини, нормално бе да се очаква дължината им да варира в зависимост от различните размери на протеиновите им продукти. Също толкова смущаващо бе, че тези вериги очевидно бяха извънредно стабилни в метаболитно отношение: веднъж синтезирани, те не се разлагаха. Но експериментите в института „Пастьор“ в Париж навеждаха на мисълта, че много шаблони за синтеза на бактериални белтъци имаха кратък живот. И още по-странно — последователностите от бази в двете рибозомни РНК вериги не показваха корелация с последователностите от бази по съответните хромозомни ДНК молекули.

Разрешението на тези парадокси дойде през 1960 година с откриването на трета форма РНК — информационна РНК. Това бе доказателството кой е истинският шаблон при синтеза на протеините. Експериментите, направени в моята лаборатория в Харвард и в Калтек и Кеймбридж от Мат Мезелсън, Франсоа Джейкъб и Сидни Бренър, показваха, че рибозомите са всъщност молекулярни фабрики. Информационната РНК преминаваше между двете рибозомни подразделения подобно на специалната лента в старомодните компютри. Транспортните РНК, всяка със своята аминокиселина, се прикрепваха към информационната РНК в рибозомата, така че аминокиселините да се подредят както трябва, преди да се свържат химически, за да образуват полипептидни вериги.

Все още неясен беше генетичният код, правилата, по които последователността от нуклеинови киселини се „превеждаше“ в подредена полипептидна последователност. През 1956 година, в един ръкопис на „РНК Тай клъб“, Сидни Бренър изложи теоретичните изводи. В същината си те се свеждаха до следното: как можеше кодът да уточни коя от двайсетте аминокиселини трябва да бъде внесена на определено място на дадена протеинова верига, когато съществуват само четири ДНК букви: А, Т, Г, Ц? Очевидно един нуклеотид само с четири възможни идентичности беше недостатъчен, и това важеше дори ако нуклеотидите бяха два, което щеше да позволи шестнайсет (4×4) пермутации. Бяха необходими най-малко три нуклеотида, тройка, за кодирането само на една аминокиселина. Но това предполагаше наличието на озадачаваща претрупаност. При тройката бяха възможни 64 (4×4x4) пермутации; тъй като кодът се нуждаеше само от 20, възможно ли беше повечето аминокиселини да са кодирани от повече от една тройка? В такъв случай, по принцип, „четворният“ код (4×4x4×4), даващ 256 пермутации, също бе напълно възможен, макар да водеше до още по-голямо излишество.

През 1961 година, в Кеймбриджкия университет, Бренър и Крик осъществиха окончателния експеримент, който демонстрира, че кодът се основава върху тройката. Чрез умно използване на химически мутагени те съумяха да изтриват или да вкарват ДНК базови двойки. Откриха, че вкарването или изтриването само на една базова двойка води до вредно „изместване на рамката“, защото целият код след мястото на мутацията е разбъркан. Да си представим следния код от трибуквени думи: JIM ATE THE FAT CAT. А сега да си представим, че първото T е изтрито. Ако трябва да запазим трибуквения строеж на изречението, получаваме JIM AET HEF ATC AT — пълна глупост след мястото на изтриването. Ако са изтрити или вкарани две базови двойки, резултатът е още по-голяма безсмислица: ако махнем първото T и E, получаваме JIM ATH EFA TCA T. Ами ако изтрием (или вкараме) три букви? Ако махнем първото A, T и E, получаваме JIM THE FAT CAT, макар да сме изгубили една „дума“ — ATE — сме запазили смисъла на останалата част от изречението. И дори да изтрием първото T и E и второто T, пак губим само тези две думи и отново сме в състояние да възстановим първоначалното изречение след тях: JIM AHE FAT CAT. Същото става и с ДНК последователността: едно-единствено вкарване/изтриване разрушава белтъка поради ефекта от изместване на рамката, който променя всяка аминокиселина след точката на вкарване/изтриване; същото се получава и при двойно вкарване/изтриване. Но тройното вкарване/изтриване в молекулата на ДНК няма непременно катастрофален ефект; то елиминира дадена аминокиселина, но това не разрушава задължително цялата биологична активност.

Крик пристигна в лабораторията късно една вечер със своя колега Лесли Барнет, за да провери окончателния резултат от експеримента с тройното изтриване и веднага си даде сметка какво означава той. И се обърна към Барнет със следните думи: „Само ние двамата знаем, че кодът е троен!“ Заедно с мен Крик прозря пръв двойно спираловидната тайна на живота; сега пръв разбра със сигурност, че тайната е написана с трибуквени думи.

 

Генетичният код, показващ тройните последователности за информационната РНК. Важна разлика между ДНК и РНК е, че ДНК е тимин, а РНК — урацил. И двете бази се допълват с аденина. Стоп кодоните вършат това, което подсказва името им — бележат края на кодиращата част на гена.

 

 

И така, кодът е троичен, а връзката ДНК-белтъци се осъществява чрез РНК. Но кодът все още не беше разгадан. Коя двойка аминокиселини се има предвид от отрязъка ДНК например, с последователността АТА ТАТ или ГГТ ЦАТ? Първият проблясък на решението дойде при изказването на Маршал Ниренбърг на Международния конгрес по биохимия в Москва през 1961 година.

След като научава за откриването на информационната РНК, Ниренбърг, който работи в Националните здравни институции на САЩ, си задава въпроса дали синтезираната ин витро РНК ще действа така добре, както и естествено срещаната информационна форма, когато става въпрос за синтеза на протеини в безклетъчни системи. За тази цел той използва РНК, преобразувана съгласно процедурите, разработени в Нюйоркския университет шест години по-рано от френската биохимичка Мариан Грънбърг-Манагоу. Тя открила специфичен за РНК ензим, в състояние да произвежда вериги като АААААА или ГГГГГГ. И тъй като една от ключовите разлики между РНК и ДНК е замяната в РНК на тимина (Т) с урацил (У), този ензим също ще произвежда вериги от У — УУУУУ… — поли-У, казано на жаргона на биохимиците. Ниренбърг и немският му сътрудник, Хайнрих Матеи добавят към своята безклетъчна система именно поли-У на 22 май 1961 година. Резултатът е изумителен: рибозомите започват да произвеждат един прост белтък, състоящ се от верига от една аминокиселина, фенилаланин. Те откриват, че поли-У кодира полифенилаланин. Следователно, една от трибуквените думи, с която генетичният код конкретизира фенилаланина, трябва да е УУУ.

През лятото на същата 1961 година Международният конгрес събра всички големи играчи в молекулярната биология. На Ниренбърг, по това време все още млад учен, за когото никой не бе чувал, бяха отделени само десет минути за изказване и надали някой, в това число и аз самият, присъства на него. Но когато се разчу новината за неговото откритие, Крик побърза да го включи в една от следващите сесии, за да може да направи съобщението пред вече очакващата го със затаен дъх публика. Това бе изключителен момент. Един тих, незабележителен младеж показа на именитите в молекулярната биология пътя към откриването на пълния генетичен код.

Ниребнърг и Хайнрих Матеи бяха решили само една шейсет и четвърта от проблема — засега знаехме само УУУ кодовете за фенилаланина. Оставаха да се разгадаят шейсет и три други трибуквени тройки (кодони) и през следващите няколко години се втурнахме трескаво да работим, за да намерим отговора на въпроса кои аминокиселини представляваха другите кодони. Сложната част беше синтезирането на различните пермутации на РНК: произвеждането на поли-У бе сравнително по-малко проблемно, но случаят с АГГ съвсем не беше такъв. За решаването на тези задачи бе приложена значителна химическа изобретателност, предимно в Уисконсинския университет от Гобинд Хорана. През 1966 година беше установено това, което конкретизира всеки един от шейсет и четирите кодона (с други думи, самият генетичен код); Хорана и Ниренбърг получиха Нобелова награда за физиология или медицина през 1968 година.

 

 

Нека сега сглобим цялата история и да видим как се произвежда един конкретен протеин — хемоглобинът. Червените кръвни телца са специализирани в пренасянето на кислород: те използват хемоглобина, за да пренасят кислород от белите дробове до тъканите, където е нужен. Червените кръвни телца се произвеждат в костния мозък от стволовите клетки със скорост около два милиона и половина за секунда.

Когато стане нужно да се произведе хемоглобин, съответният сегмент от костномозъчната ДНК — хемоглобиновата ДНК — се отделя като отварящ се цип така, както прави ДНК, когато се възпроизвежда. В този случай вместо двете се копира само едната верига или, ако използваме научния термин, се транскрибира; и вместо нова верига ДНК, създаденият с помощта на ензима РНК полимераза продукт е нова верига транспортна РНК, отговаряща за хемоглобиновия ген. ДНК, от която е получена тази РНК, се затваря отново като цип.

Информационната РНК се изнася от ядрото и се доставя до рибозомата, съставена от РНК и белтъци, където информацията в последователността от информационната РНК ще се използва за генерирането на нова протеинова молекула. Този процес е известен като транслиране. Аминокиселините се доставят до сцената, прикрепени за транспортната РНК. В единия край на транспортната РНК има особена тройка (в случая, представен на диаграмата, ЦАА), която разпознава противоположната си съответстваща тройка в информационната РНК, ГУУ. В другия си край транспортната РНК тегли съответстващата аминокиселина, в случая валин. При следващата тройка в информационната РНК, тъй като ДНК последователността е ТТЦ (което конкретизира лизин), имаме лизинова транспортна РНК. Сега вече остава само двете аминокиселини да се съединят биохимически. Направете го сто пъти и ще получите белтъчна верига, дълга сто аминокиселини; редът на аминокиселините е уточнен посредством реда на А-та, Т-та, Г-та и Ц-та в ДНК, от която е създадена информационната РНК. Двата вида хемоглобинови вериги имат дължина от 141 и 146 аминокиселини.

Белтъците обаче не са просто линейни вериги от аминокиселини. След изграждането на веригата, протеините образуват сложни конфигурации, понякога самостоятелно, в други случаи „подпомогнати“ от други молекули. Едва след като приемат тази конфигурация, те стават биологично активни. В случая с хемоглобина са необходими четири вериги, две от един вид и две от малко по-различен вид, преди молекулата да влезе в действие. А в центъра на всяка извита верига се намира ключът към пренасянето на кислорода — железният атом.

 

 

Днес, използвайки съвременните молекулярни биологични трикове, имахме възможност да се върнем назад и да преразгледаме някои от класическите примери на ранната генетика. За Мендел механизмът, който е причина едни грахови зърна да бъдат гладки, а други сбръчкани, си остава загадка; за него това са просто характеристики, подчиняващи се на разглежданите от него закони за наследствеността. Сега обаче си изяснихме разликите на молекулярно ниво.

През 1990 година учени в Англия откриха, че при сбръчкания грах липсва ензим, участващ в преработката на скорбялата, складираният в семената въглехидрат. Оказва се, че генът за този ензим не действа в набръчкания грах в резултат на мутация (нахлуване на несъвместима ДНК в гена) на граховите растения с изпъната кожица на зърната. Тъй като, благодарение на тази мутация съдържа по-малко скорбяла и повече захар, набръчканият грах губи повече вода при съзряването си. Външният слой на зърното обаче, не се свива с изпаряването на водата (и обемът на граха намалява) и резултатът е характерното набръчкване — съдържанието е прекалено малко, за да изпълни външната обвивка.

Алкаптонурията на Арчибалд Геръд също навлиза в молекулярния си период. През 1995 година работещи с гъби испански учени откриват мутирал ген, който води до акумулирането на същото вещество, забелязано от Геръд в урината на страдащите от това заболяване. При нормални условия въпросният ген произвежда ензим, който се оказва основна характеристика на много живи системи, и присъства и в генотипа на човека. Посредством сравняването на последователността на гъбичния ген с човешката последователност става възможно да бъде намерен човешкият ген, който кодира ензима, наречен „хомогентизат диоксигеназ“. Следващата стъпка бе да се сравни генът на нормални индивиди с гена на алкаптонуриците. Оказва се, че техният ген е нефункционален заради мутацията на една-единствена базова двойка. „Вродената грешка в метаболизма“ на Геръд се причинява само от една разлика в последователността на ДНК.

 

 

На посветения на генетичния код симпозиум в Колд Спринг Харбър през 1966 година се долавяше усещането, че сме направили вече всичко. Бяхме проникнали в кода и знаехме в най-общи линии как ДНК осъществява контрол върху процесите в живите организми чрез уточняваните от нея белтъци. Някои от „старите пушки“ решиха, че е дошъл моментът да престанем да изучаваме гена сам по себе си и да преминем на следващото стъпало. Франсис Крик реши да премине към невробиологията; той никога не се бе плашил от големите проблеми и проявяваше особен интерес към разгадаването на начина, по който работи човешкият мозък. Сидни Бренър се обърна към еволюционната биология и реши да се концентрира върху един нематоден червей вярвайки, че именно едно толкова просто създание би позволило най-лесно на учените да разгадаят връзката между гените и еволюцията. Днес „червеят“, както е известен в научните среди, се превърна действително в източник на много от нашите прозрения за начина, по който са изградени организмите. Приносът на червея бе признат от Нобеловия комитет през 2002 година, когато Бренър и двама многогодишни ветерани в тази област, Джон Сълстън от Кеймбридж и Х. Р. Хоруиц от Масачузетския технологичен институт, получиха Нобелова награда за физиология или медицина.

Повечето пионери в играта на ДНК обаче, предпочетоха да продължават да се фокусират върху основните механизми на функционирането на гените. Защо едни белтъци са в много по-голямо изобилие от други? Много гени се задействат само в определени клетки или само в определени периоди от живота на клетката; как се осъществява това задействане? Под микроскопа мускулната клетка се различава значително от чернодробната, както по своите функции, така и по външния си вид. Промените в начина на изразяване на гените създават клетъчното многообразие и диференциация: мускулните и чернодробните клетки произвеждат различни белтъци. Най-лесният начин да се произвеждат различни протеини е като се направлява кои гени в коя клетка да се транскрибират. Така например, някои от тъй наречените „домакински белтъци“ — незаменимите за функционирането на клетката, като например участващите в репликацията на ДНК — се произвеждат от всички клетки. А за производството на определени белтъци в определени моменти се задействат определени гени в определени клетки. Възможно е да се мисли за развитието — процеса на израстване от една оплодена яйцеклетка до невероятно сложния възрастен човек — като за безкрайно упражнение по задействане на гени: при възникването на съответните тъкани в процеса на развитие, цели поредици от гени трябва да се „включват“ и „изключват“.

Първият важен напредък в разбирането ни за това как се включват и изключват гените идва от експериментите през шейсетте години на XX век на Франсоа Джейкъб и Жак Моно от института „Пастьор“ в Париж. Навлизането на Моно в науката се осъществява бавно, защото, притежавайки много таланти, му е трудно да се фокусира. През трийсетте години прекарва известно време във факултета по биология в Калтек, ръководен от Т. Морган — бащата на генетиците от поколението на плодовите мушици — но дори ежедневната близост със съвсем не чак толкова младите „момчета“ на Морган не успява да го превърне в последовател на въпросните мушици. Той предпочита да дирижира Баховите концерти в университета, където по-късно му предлагат работа като преподавател по теория на музиката, и в пищните домове на местните милионери. Едва през 1940 година Моно завършва докторската си дисертация в Сорбоната в Париж, като междувременно участва активно във френската съпротива. В един от малкото случаи на съучастничество на биологията в шпионажа, Моно успява да скрие жизненоважни тайни документи в кухите кости на крака на жираф, изложен пред неговата лаборатория. С напредъка на войната нараства и значението му за съпротивата (и успоредно с това — уязвимостта му от нацистите). В деня на десанта той играе голяма роля за улесняването на напредъка на съюзническите сили и възпрепятстването на оттеглянето на немците.

Джейкъб също участва във войната, като избягва във Великобритания и се присъединява към Свободната френска армия на генерал дьо Гол. Служи в Северна Африка и участва при дебаркирането на десантните сили. Едва не е убит от бомба; от тялото му са извадени двайсет парчета от шрапнел, но в него остават още осемдесет и до ден-днешен. Увреждането на ръката слага край на амбициите му да бъде хирург и, вдъхновен като мнозина други от нашето поколение от книгата на Шрьодингер „Какво е животът?“, се насочва към биологията. Опитите му да се присъедини към изследователската група на Моно, обаче, са неколкократно отхвърляни. Но, след седем-осем опита, по думите на самия Джейкъб, шефът на Моно, микробиологът Андре Лвоф, отстъпва през юни 1950 година:

Без да ми даде възможност да обясня отново желанията си, слабите и силните си места в работата, [Лвоф] обяви: „Знаете ли, открихме въвеждането на профагите!“ [тоест как да се активира бактериофагната ДНК, внесена в ДНК на бактерията-приемник].

Аз възкликнах: „О!“, като изразих с това цялото възхищение, на което бях способен, като същевременно си помислих: „Какво, по дяволите, е профага?“

После той попита: „Интересува ли ви възможността да работите върху фагите?“ Отвърнах заеквайки, че точно това се бях надявал да правя. „Добре. Елате на първи септември.“

Очевидно след интервюто Джейкъб отива право в книжарницата, за да си купи речник, от който да разбере на какво точно се е посветил.

Въпреки не особено обещаващото начало, сътрудничеството Джейкъб-Моно се изразява в наука от извънредно висок калибър. Те се заемат с изследването на проблема на задействането на гените в познатата чревна бактерия Escherichia coli, съсредоточавайки се върху способността й да използва лактозата — вид захар. За да преработи лактозата, бактерията произвежда ензима β-галактозидаза, която разгражда лактозата на две по-прости захари — галактоза и глюкоза. Когато в бактериалния посредник липсва лактоза, клетката не произвежда β-галактозидаза; но след вкарването на лактоза, клетката започва да произвежда ензима. Джейкъб и Моно заключават, че именно присъствието на лактозата предизвиква производството на β-галактозидаза и се заемат да изследват как става това въвеждане.

В поредица от елегантни опити те откриват доказателства за съществуването на репресорна молекула, която, при отсъствие на лактоза, предотвратява транскрипцията на β-галактозидазния ген. Но когато присъства, лактозата се свързва с репресора и така не му позволява да блокира транскрипцията; по този начин наличието на лактоза прави възможна транскрипцията на гена. Всъщност Джейкъб и Моно откриват, че лактозният метаболизъм се контролира координирано: не става дума просто за включването или изключването на даден ген в определен момент. Други гени участват в преработването на лактозата, а репресорната система служи за управляването на всички тях. Докато E.coli-те са сравнително проста система за изследване на задействането на гените, по-нататъшната работа върху по-сложни организми, включително и хората, разкрива, че същите основни принципи се прилагат повсеместно.

Джейкъб и Моно постигат тези резултати, като изучават мутантни щамове на E.coli-те. Те нямат преки доказателства за репресорната молекула: нейното съществуване е просто логическо заключение от решението им на генетичния пъзел. Идеите им получават потвърждение на молекулярно ниво едва в края на шейсетте години, когато Уолтър (Уоли) Гилбърт и Бено Мюлер-Хил в Харвард я откриват наистина. Джейкъб и Моно само предвиждат нейното съществуване, а Гилбърт и Мюлер-Хил я откриват. Тъй като репресорът обикновено присъства в съвсем малки количества, само няколко молекули на клетка, събирането на достатъчно голяма за анализиране мостра се оказва техническо предизвикателство. Но в крайна сметка все пак го постигат. Същевременно Марк Пташне, който работи в друга лаборатория по-нататък в същия коридор, успява да изолира и характеризира друга репресорна молекула, този път в задействащата гените система на бактериофагите. Репресорните молекули се оказват белтъци, които могат да се свързват с ДНК. При липса на лактоза точно това прави β-галактозидазният репресор: като се свързва в ДНК на E.coli-те на място, близо до точката, в която започва транскрипцията на β-галактозидазата, репресорът не позволява на ензима, произвеждащ информационна РНК от гена, да си свърши работата. При въвеждането на лактоза обаче, захарта се свързва с репресора и не му оставя възможност да заеме мястото в молекулата на ДНК в близост до β-галактозидазния ген; в такъв случай транскрипцията може да започне безпроблемно.

Определянето на репресорната молекула запълни празнина в нашето разбиране на молекулярните процеси в основата на живота. Знаехме, че ДНК произвежда протеини чрез РНК; сега вече знаехме също, че белтъците са в състояние да си взаимодействат директно с ДНК под формата на свързващи се с ДНК протеини, за да управляват активността на гена.

 

 

Откриването на централната роля на РНК в клетката повдигна един интересен (и останал дълго без отговор) въпрос: защо информацията в ДНК трябва да преминава през посредничеството на РНК, преди да бъде транслирана в полипептидна последователност? Скоро след разгадаването на генетичния код, Франсис Крик предложи решение на въпросния парадокс, а именно, че РНК предхожда ДНК. Според него РНК е първата генетична молекула по времето, когато животът се базира върху РНК: трябва да бе съществувал „РНК свят“ преди познатия ни днешен (и от последните няколко милиарда години) „ДНК свят“. Крик предполага, че различният химически състав на РНК (базиращ се върху наличието на захарна рибоза в нейния гръбнак вместо на дезоксирибозата на ДНК) може би я надарява с ензимни свойства, които й позволяват да катализира собствената си репликация.

Идеята на Крик, че ДНК е еволюирала по-късно, вероятно се дължи на относителната нестабилност на молекулите на РНК, които деградират и мутират много по-лесно от ДНК молекулите. Ако искате добра, стабилна молекула за дълго съхранение на генетична информация, тогава изборът на ДНК е много по-удачен, отколкото изборът на РНК.

На предположенията на Крик, че РНК светът е предшествал ДНК света, не се обръща почти никакво внимание до 1983 година. Именно тогава Том Чек от Колорадския университет и Сидни Олтман от Йейл независимо един от друг показват, че молекулите на РНК притежават действително катализиращи свойства — откритие, за което им се присъжда Нобелова награда за химия през 1989 година. Дори още по-убедителни доказателства за предшестването на ДНК света от РНК света са намерени десет години по-късно, когато Хари Нолър от Калифорнийския университет в Санта Круз показва, че образуването на пептидни връзки, свързващи аминокиселините в протеини, не се катализира от нито един от шейсетте белтъка, свързани с рибозомата — мястото, където се синтезират протеините. Вместо това образуването на пептидни връзки се катализира от РНК. Нолър достига до този извод като отнема всички протеини от рибозомата и открива, че тя въпреки това е в състояние да образува пептидни връзки. Изключително детайлният анализ, осъществен от Нолър и други учени, показва защо протеините са пръснати по повърхността, далеч от сцената на действието в сърцето на рибозомата.

Тези открития разрешават проблема „яйцето или кокошката“ за произхода на живота. Преобладаващото предположение, че първоначалната форма на живот се състои от молекули ДНК води до неизбежно противоречие: ДНК не може да се събере; за тази цел са нужни протеини. Кое е първото? Белтъците, които нямат известен механизъм за размножаване на информация, или ДНК, която е в състояние да дублира информация, но само в присъствието на протеини? Проблемът беше неразрешим: смятахме, че не може да има ДНК без протеини или протеини без ДНК.

РНК обаче, като еквивалент на ДНК (способна е да складира и репликира информация) и на белтъците (може да катализира критични химически реакции), предлага отговор. Всъщност в „РНК света“ проблемът „яйцето или кокошката“ просто изчезва. РНК е и яйцето, и кокошката.

РНК е еволюционна антика. Веднъж щом разреши даден проблем, естествената селекция обикновено се придържа към това решение, следвайки максимата: „Ако не е счупено, не го лепи“. С други думи, в отсъствието на селективен натиск за промяна, клетъчната система не се обновява и така носи много отпечатъци от еволюционното минало. Процесът може да се осъществи по даден начин, просто защото първо е еволюирал по него, а не непременно защото е най-добрият и ефикасен начин.

 

 

Молекулярната биология изминава дълъг път през първите двайсет години след откриването на двойната спирала. Ние проумяхме основния механизъм на живота и дори подразбрахме някои неща за начина на управление на гените. Но засега правехме само едно — наблюдавахме; ние бяхме молекулярни натуралисти, за които тропическата гора беше клетката — бяхме в състояние единствено да описваме това, което откривахме там. Беше дошъл моментът да проявим повече инициативност. Достатъчно бяхме наблюдавали: привличаше ни перспективата да се намесим, да въздействаме върху живите организми. Изнамирането на рекомбинантната ДНК и покрай това на възможността да се въздейства върху нейните молекули, биха направили всичко това възможно.