Валерий Чолаков - Нобелевские премии. Ученые и открытия
Еще в 1939 г. Дельбрюк вместе с Эмори Леоном Эллисом изучили процесс размножения фагов. Было обнаружено, что он состоит из трех периодов: прикрепление фага к бактериям, скрытый период, в течение которого фаг размножается в клетке, и, наконец, период распада, ведущий к уничтожению бактерии и выделению в большом количестве новых фагов. Этот процесс наглядно показывал, как внешнее генетическое влияние может коренным образом изменить функции живой клетки. Еще в середине 30-х годов было известно, что вирусы являются нуклеопротеидами, подобными хромосомам высших организмов. Поэтому они представляли большой интерес в качестве модели для изучения функций гена. Именно это и побудило Дельбрюка заняться в 1939 г. бактериофагами.
Полный цикл размножения бактериофагов продолжается около 15 мин, причем один вирус дает сотни потомков. Очевидно, это значительно ускоряет исследования, и простое устройство фагов, раскрытое Лурией, позволяло испытать новые методы исследования. В 1946 г. Дельбрюк, Херши и другие ученые открыли явление рекомбинации генов у вирусов, что позволило построить генные карты. В 1952 г. Херши методом меченых атомов доказал, что только ДНК имеет значение для репликации вирусов. Хотя о роли ДНК стало известно еще из экспериментов Эйвери, лишь после работы Херши резко изменились взгляды на природу генов. Лурия открыл комплекс ферментов и особые состояния клетки, когда она может противостоять бактериофагу. Это имело большое значение для развития генной инженерии.
В конце 50-х и в 60-е годы многие ученые стали лауреатами Нобелевской премии за достижения в области генетики. Однако основополагающие работы трех патриархов современной молекулярной генетики (М. Дельбрюка, А. Херши и С. Лурии) получили признания Нобелевского комитета с большим опозданием: они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине лишь в 1969 г.
Исследования бактериофагов показали, что они способны присоединяться к генетическому аппарату бактерии, становясь частью ее гена. В результате клетка не погибает, а продолжает размножаться и даже приобретает новые свойства. Вскоре подобные особенности были замечены и у других вирусов, в частности у так называемых онкогенных вирусов.
Еще в 1911 г. Фрэнсис Роус (Раус) совершенно точно установил, что один из видов саркомы у птиц (саркома Рауса) вызывается вирусом. В 1965 г. Ренато Дульбекко, итальянский ученый, работавший в США, заметил, что вирус полиомиелита может присоединяться к клеточной ДНК, становясь ее составной частью. Обычно этот вирус вызывает инфекцию, но в культурах тканей приводит к неопластической трансформации. Это явилось убедительным аргументом в пользу вирусной теории раковых заболеваний. Однако выяснилось, что у большинства «подозрительных» онкогенных вирусов основным генетическим материалом является РНК. К числу таких вирусов относился вирус саркомы Рауса. Оставалось неясным, как вирусы, содержащие РНК, могут присоединяться к клеточной ДНК высших организмов.
Пытаясь разрешить этот вопрос, Хоуард Мартин Темин из Висконсинского университета предположил в 1970 г., что возможен процесс обратной транскрипции[27]. Одной из важнейших основ молекулярной генетики (ее «центральной догмой») было представление, что наследственная информация движется только по линии ДНК — РНК — белок. Темин предположил, что вирусная РНК транскрибируется в ДНК, которая присоединяется к клеточному геному.
Вначале эта точка зрения была встречена в штыки. Но в 1970 г. Темин одновременно с Дейвидом Балтимором из Массачусетского технологического института открыл фермент РНК-зависимую ДНК-полимеразу, или обратную транскриптазу. Именно этот фермент осуществляет синтез ДНК на матрице вирусной РНК.
Открытие обратной транскрипции и присоединения вирусов к клеточному геному вселило в ученых надежды на новые успехи медицины. Вместе с тем указанные открытия имели и большое чисто теоретическое значение, позволив глубже проникнуть в молекулярные механизмы генетики. За свои достижения Д. Балтимор, X. Темин и Р. Дульбекко были удостоены в 1975 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине.
Генная инженерия
В начале 50-х годов известный вирусолог Сальвадор Лурия столкнулся с интересным явлением: фаги, выращиваемые на одном штамме бактерий, не развивались на другом. Было установлено, что причины этого не в генетическом различии фагов. Осталось исследовать возможность того, не принимают ли их бактерии различным образом. За этим, несомненно, стоял какой-то ферментативный процесс, но его сущность оставалась неясной до 1962 г., когда данным вопросом занялся Вернер Арбер из Биологического центра Базельского университета.
Вместе со своими сотрудниками он исследовал и сформулировал принципы так называемой штаммоспецифичной рестрикции и модификации ДНК. Оказалось, что при вхождении вируса в бактерию на него действует ферментативный аппарат, связанный с бактериальной ДНК (генным комплексом). Специальные ферменты (рестриктазы) атакуют и разрывают вирусную ДНК, ограничивая таким образом ее размножение и функционирование. В этом и состоит суть рестрикции. Дальнейшие исследования показали, что рестриктазы «распознают» определенные участки ДНК и прикрепляются к ним, чтобы разорвать цепь.
Рестрикция оказалась эффективным средством обезвреживания бактериофагов. Она позволяет, однако, уничтожать только некоторые разновидности фагов. Отдельные фаги приспосабливаются к определенным штаммам бактерий и обходят этот механизм, благодаря чему они существуют и размножаются. Арбер открыл возможные пути преодоления рестрикции. Он установил, что в бактерии имеется и другой фермент, который модифицирует химически определенный участок ДНК, подавляя действие рестриктаз. Результаты швейцарского ученого в принципе имели важное значение, но казались далекими от практического применения. Открытые им «молекулярные ножницы» разрывали цепь ДНК неспецифичио, так что не возникало возможности изолировать определенный участок. Ферменты прикреплялись в одном месте цепи ДНК, а разрывали ее в другом.
После Арбера этой новой, интригующей областью молекулярной генетики и энзимологии заинтересовались, многие ученые. Подобные ферменты были обнаружены и в других микроорганизмах. В 1970 г. Гамильтон Смит из университета Джона Гопкинса в Балтиморе обнаружил, что рестриктаза микроорганизмов одного вида у другого вида микроорганизмов разрывает ДНК. точно в том месте, где фермент прикрепляется. Это удачное открытие вызвало взрыв активности среди ученых. К 1975г. различным группам исследователей, удалось выделить, свыше 50 рестриктаз, а сегодня, их получены уже сотни. Все они распознают и отрывают от ДНК участок, состоящий из 4—6 пар нуклеотидов. Многие рестриктазы дают возможность разрывать ДНК в разных точках и: разделять ее на различные фрагменты, содержащие определенные гены. Эти ферменты использовались не только для выделения генов, но и для составления генных карт. Такая работа была проведена в. 1971 г. Даниэлем Натансом.
Этот ученый в течение многих лет исследовал на обезьянах, один из вирусов и с помощью рестриктаз установил конкретно последовательность, действия различных генов; в конечном счете, он разобрался и в системе упорядоченности всех 5 тысяч пар нуклеотидов в. двойной спирала ДНК вируса. Это было достигнуто: с помощью 14 рестриктаз. (Для сравнения можно сказать, что ДНК человека и других высших животных имеет, по всей вероятности, свыше миллиона нуклеотидов.)
В 1972 г. Даниэль Натане стал директором, отдела микробиологии медицинского факультета университета Джона. Гопкинса, где. работал ассистентом Гамильтон Смит. Вместе со своими сотрудниками Натане разработал эффективный метод выделения в чистом виде фрагментов ДНК с помощью, электрофореза. Таким, образом, ученые уже имели «молекулярные ножницы», вырезающие нужные фрагменты из ДНК, и владели методами выделения этих фрагментов. Осталось найти «транспортное, средство», которое позволило бы вводить выделенные гены в клетку.
Такие механизмы, в сущности, были давно известны ученым. Еще в 40—50-х годах, когда закладывались основы бактериальной генетики, было открыто явление трансдукции (переноса генов из одной клетки в другую с помощью вируса). Ген прикрепляется к ДНК вируса, которая впоследствии становится частью хромосомы бактерии. Разумеется, этот механизм действовал лишь у вирусов, которые не уничтожают клетку сразу. Другой механизм связан с процессом полового размножения бактерий. Клетки нормально обмениваются генетическим материалом с помощью плазмид (небольших частиц, содержащих фрагменты ДНК). Если ввести в плазмиды какой-либо ген, то они превращаются в отличное «транспортное средство», переносящее ген в бактерии.
Создание и развитие генной инженерии, как и любой новой области науки, было результатом деятельности большого числа ученых и групп исследователей. Но всегда среди многих можно выделить лиц, внесших решающий вклад. Вернер Арбер открыл рестриктазы, Гамильтон Смит выделил первые рестриктазы, а Даниэль Натане создал метод выделения генов и провел с помощью рестриктаз полное исследование вирусного генома. За свои замечательные научные достижения трое названных исследователей были удостоены в 1978 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине.
