ДНК. История генетической революции

К концу 1970-х годов те проблемы, что были подняты в исходных экспериментах Коэна и Бойера, постепенно решились сами собой. Нам пришлось совершить досадный крюк, но биологи-молекулярщики как минимум продемонстрировали, что готовы нести социальную ответственность за результаты своих экспериментов.

Нельзя сказать, что во второй половине 1970-х годов молекулярная биология оказалась полностью сокрушена противостоянием с политикой; в эти годы были достигнуты некоторые важные успехи, и большинство полученных результатов базировалось на по-прежнему неоднозначной технологии молекулярного клонирования, изобретенной Коэном и Бойером. Важнейший прорыв в данном направлении был связан с открытием методов секвенирования ДНК. Для секвенирования нужно иметь множество образцов интересующего нас отрезка ДНК. Это было неосуществимо (если не считать образцов небольшой вирусной ДНК) до тех пор, пока небыли разработаны технологии молекулярного клонирования. Как мы уже убедились, клонирование, в сущности, заключается в следующем: вставляем интересующий нас фрагмент ДНК в плазмиду, а потом саму плазмиду внедряем в бактерию. Далее мы позволяем бактерии делиться и размножаться и в результате получаем множество копий искомого фрагмента ДНК. Затем этот фрагмент выделяется из бактерий – все, материал для секвенирования готов.

Две технологии секвенирования были разработаны одновременно. Автором одной из них был Уолли Гилберт из Кембриджа, штат Массачусетс (Гарвардский университет), автором другой – Фред Сенгер из британского Кембриджа. Уолли Гилберт заинтересовался секвенированием ДНК после того, как смог выделить репрессорный белок из регуляторной системы гена -галактозидазы у бактерии E. coli. Как мы уже знаем, он продемонстрировал, что при встраивании нужного гена в хромосомную ДНК хозяина нужно позаботиться о том, чтобы сайт интеграции не находился внутри гена, кодирующего важную клеточную функцию. Кроме того, для обеспечения эффективной экспрессии его помещают под контроль регулируемого промотора.

Для интеграции в нужный сайт вводимый ген должен содержать нуклеотидную последовательность длиной не менее 50 нуклеотидов, сходную с таковой в хромосомной ДНК, в пределах которых и должен произойти физический обмен (рекомбинация) между двумя молекулами ДНК. Далее он решил выяснить, какова последовательность оснований на этом отрезке ДНК. Найти такой способ ему посчастливилось благодаря встрече с блестящим советским химиком Андреем Дарьевичем Мирзабековым. При помощи мощных химических реактивов Уолли Гилберту удалось разделить цепочки ДНК именно на нужных участках, специфичных к конкретным основаниям.

Уолли Гилберт оканчивал школу в Вашингтоне, округ Колумбия, и даже сбегал с уроков, чтобы почитать книги по физике в библиотеке Конгресса. На тот момент он боролся за приз в конкурсе по поиску молодых талантов под эгидой компании Вестингауз[8] – это был настоящий Святой Грааль для всех одаренных старшеклассников. Как и следовало ожидать, он получил эту премию в 1949 году. (Много лет спустя, в 1980 году, получив приглашение в Стокгольм, в Шведскую академию наук, Гилберт лишний раз улучшил статистику, согласно которой премия Вестингауза – одна из наиболее серьезных заявок на получение Нобелевской премии в будущем.)

Уолли Гилберт (вверху) и Фред Сенгер (внизу) – короли секвенирования

В университете и аспирантуре Гилберт занимался физикой, а в 1956 году, через год после моего прибытия в Гарвард, стал работать на физическом факультете. Когда же я увлек его опытами с РНК, которыми занимался у себя в лаборатории, Гилберт забросил свою дисциплину ради моей. Вдумчивый и непреклонный Гилберт успел немало поработать на переднем крае молекулярной биологии.

Однако из двух методов секвенирования проверку временем выдержал вариант, предложенный Сенгером. Именно этот метод секвенирования был использован в проекте «Геном человека», а затем оказался востребованным и далее, пока не уступил место красивой химической технологии, изобретенной в британском Кембридже (об этом мы поговорим в главе 8). Некоторые химические соединения, расщепляющие ДНК и необходимые при секвенировании по методу Гилберта, сложны в обращении – чего доброго, начнут расщеплять ДНК самого исследователя. В свою очередь, при работе методом Сенгера используется тот же самый фермент, который обеспечивает естественное копирование ДНК в клетках, – ДНК-полимераза. Весь фокус в том, что при копировании пары оснований немного изменяются.

Сенгер использовал не только обычные дезокси-основания (А, Т, Г и Ц), которые встречаются в естественной ДНК, но и так называемые дидезокси-основания. Основания второй категории обладают замечательным свойством: ДНК-полимераза с готовностью внедряет их в цепочку ДНК (то есть копия собирается по образцу матричной цепи). Однако, после того как в цепочку попадет дидезокси-основание, другие основания в нее добавляться больше не могут. Иными словами, скопированная нить не может достраиваться после дидезокси-основания.