30 Нобелевских премий: Открытия, изменившие медицину

Для решения этой задачи Маршалл Ниренберг воспроизвел в пробирке экспериментальную систему, которая использовала нуклеиновую кислоту в качестве шаблона для сборки белка. Но сначала он синтезировал полиурацил — молекулу РНК, которая содержит только одно основание, а именно — урацил. Затем ученый поместил эту молекулу в свою бесклеточную экспериментальную систему, состоящую из смеси аминокислот, РНК, рибосом (комплексов, производящих белок), необходимых ферментов и других веществ, полученных в результате деликатного размельчения бактерий. В результате полиурациловая РНК направила синтез молекулы белка, состоявшего из цепочки молекул аминокислоты фенилаланина. Следовательно, код для фенилаланина представлял собой триплет урацил-урацил-урацил, или УУУ. Поскольку ДНК содержит четыре азотистых основания, а генетический код образуется из триплетов азотистых оснований, то существует 64 возможные триплетные комбинации для ДНК. Далее Маршалл Ниренберг, Роберт Холли и Хар Коран (ему принадлежит главная заслуга в этом деле) повторили эксперименты в той же системе с каждой из триплетных комбинаций — и синтезировали все возможные триплетные последовательности. Таким образом были открыты коды триплетов азотистых оснований для всех 20 аминокислот. Правда, оказалось, что аминокислоты кодируются более, чем одним триплетом, а некоторые триплеты известны как «бессмысленные», потому что не кодируют ни одну аминокислоту, но их значение было определено позднее.

Таким образом было установлено, как устроен механизм клетки, осуществляющий нуклеиново-белковый перевод. Теперь оставалось решить, какую роль в процессе играют РНК и как весь этот механизм взаимодействует в пространстве клетки с ее ядром, в котором находится ДНК, и рибосомами, где фактически происходит сборка белков. Этим занялся Роберт Холли. Основываясь на расшифрованном Ниренбергом триплетном коде для аминокислоты фенилаланина, он синтезировал молекулу транспортной РНК с соответствующим нуклеотидным составом.

Теперь стало понятно, что существует как минимум три типа РНК, взаимодействующих друг с другом в процессе синтеза молекул белка: информационная (или матричная), рибосомная и транспортная (о еще одном типе РНК — интерферирующей — см. в главе «РНК-интерференция — «контролер» генетической информации»). Информационная РНК копирует генетический код с ДНК в клеточном ядре и переносит генетическую реплику к рибосомам в цитоплазму клетки. Транспортная РНК, которая содержит специфическую нуклеотидную последовательность для каждой аминокислоты, захватывает предназначенную ей нуклеотидным кодом аминокислоту и транспортирует ее в цитоплазме к рибосомам, где белки и синтезируются при участии рибосомной РНК.

Рис. 15. Схема кодирования аминокислот кодонами и стоп-кодоны

Холли и его коллеги обнаружили также, что транспортная РНК имеет биологически активную вторичную структуру в дополнение к первичной. Первичная структура представляет собой последовательность основания в нуклеотидной цепи. Вторичная структура транспортной РНК показывает, в каких местах витки спирали контактируют друг с другом. Эта структура напоминает трехлистный клевер. Последовательность нуклеотидов в «среднем листке» комплементарна соответствующему участку информационной РНК, то есть может с ней связываться. Эта комплементарность между транспортной и информационной РНК обеспечивает правильное расположение аминокислот в составе белка.

Рис. 16. Вторичная структура тРНК

Награждая троих лауреатов, представитель Нобелевского комитета сказал: «В 1958 году в своей нобелевской лекции Эдуард Тейтем заглянул в хрустальный шар, чтобы предсказать грядущие события в молекулярной биологии. В нем он увидел, что до разгадки генетического кода доживут по крайней мере некоторые из присутствовавших в зале. В то время это было смелым пророчеством, больше похожим на фантазию. Однако не прошло и трех лет, как были расшифрованы первые буквы кода, а благодаря вашей смекалке природа кода и бóльшая часть его функций в синтезе белка стали известны менее чем за восемь лет. Вместе вы написали самую захватывающую главу в современной биологии».

Кстати

Во время Второй мировой войны Роберт Холли прервал исследования по органической химии в Корнеллском университете, а также прекратил работу в медицинском колледже и присоединился к группе американских ученых, которая впервые синтезировала пенициллин — антибиотик, открытый Флемингом в 1928 году.

С чего началось редактирование генома человека Вернер Арбер Даниел Натанс Хамилтон Смит