ДНК. История генетической революции

К тому моменту генетический код еще не был расшифрован, оставались вопросы механизмов, по которым последовательность нуклеиновых кислот транслируется в упорядоченную полипептидную цепочку. В 1956 году Сидней Бреннер изложил соответствующие теоретические проблемы в рукописи «Клуб галстуков РНК». В сущности, они сводились к следующему: как можно закодировать, какая именно из двадцати аминокислот должна быть установлена на конкретном участке белковой цепочки, если алфавит ДНК состоит всего из четырех «букв» – А, Т, Г и Ц? Разумеется, отдельно взятого нуклеотида, который мог бы иметь одну из четырех ипостасей, и даже двух нуклеотидов было бы недостаточно. В таком случае просто не мог бы работать механизм, допускающий 16 вариантов преобразований (4 × 4). Чтобы закодировать отдельно взятую аминокислоту, требуется минимум три нуклеотида (триплет). Но триплет обеспечивает поразительную избыточность – допускает 64 варианта преобразований. Поскольку код требует всего 20 аминокислотных остатков, означает ли это, что большинство аминокислот можно закодировать несколькими вариантами триплетов? Если так, то совершенно реалистичным мог бы оказаться и «квадруплетный» код (4 × 4 × 4 × 4), допускающий 256 преобразований и подразумевающий еще более значительную избыточность.

В 1961 году Крик и Бреннер поставили в Кембридже решающий эксперимент, показавший, что в основе генетического кода лежат именно триплеты. Искусно применив вещества с мутагенным действием, они научились встраивать в ДНК или удалять из нее пары оснований. Они обнаружили, что, когда они встраивали или удаляли единственную пару оснований, происходил патологический «сдвиг рамки» и искажался весь код, следующий за точкой мутации. Представьте себе код из трехбуквенных слов, например: JIM ATE THE FAT CAT (Джим съел жирного кота). Допустим, мы удалим первую букву «T». Если мы хотим сохранить в предложении аналогичную структуру из трехбуквенных слов, то получим: JIM AET HEF ATC AT – после удаления первой «T» начинается непроизносимая игра букв. То же самое происходит, если вставляются или удаляются две пары оснований. Удалив первую «T» и первую «E», получим: JIM ATH EFA TCA T – еще более неразборчивое сочетание букв. Что же произойдет, если мы удалим (или вставим) три буквы? Удалив первые «A», «T» и «E», мы тем не менее сохраняем в осмысленном виде остальные слова во фразе. Даже если операция удаления накрывает несколько слов – скажем, мы удаляем первую «T», первую «E» и вторую «T» – мы все равно теряем всего два слова и вполне можем восстановить скрывающееся за ними предложение: JIM AHE FAT CAT. Аналогичная ситуация прослеживается и в ДНК: однократное удаление или встраивание вносит хаос во всю структуру белка, что связано с эффектом сдвига рамки считывания и появления мутации в последовательности ДНК, для которой характерна вставка или делеция нуклеотидов, в количестве, не кратном трем. В связи с триплетным характером генетического кода вставка или делеция числа нуклеотидов, не кратных трем, приводит к сильному искажению информации в транскрибируемой мРНК. Также в результате может появиться стоп-кодон, что приводит к преждевременной терминации синтеза белка. При вставке или удалении триплета в молекуле ДНК мы далеко не обязательно получим катастрофический эффект: если при этом добавится или удалится всего одна аминокислота, то белок вполне может остаться функциональным с биологической точки зрения. (Исключение – муковисцидоз. Ниже мы убедимся, что удаление единственной аминокислоты в белке муковисцидоза – это наиболее распространенная мутация, связанная с данной болезнью.)

Как-то раз Крик и его коллега Лесли Барнетт поздно вечером пришли в лабораторию, чтобы проверить результат опыта с удалением триплета.

Крик сразу осознал всю важность этого эксперимента и сказал Барнетту: «Лишь мы с тобой знаем код триплетов!» В компании со мной Крик впервые познал секрет жизни, свернутый в двойную спираль; теперь он одним из первых узнал, что этот секрет записан словами из трех букв.

Итак, выяснилось, что код записывается триплетами-тройками, а РНК опосредует связь между ДНК и белком. Тем не менее код по-прежнему оставался не взломан. Какая пара аминокислот зашифрована в отрезке ДНК, который кодируется, скажем, последовательностью АТА ТАТ или ГГТ ЦАТ? Первый намек на решение этой загадки прозвучал в лекции Маршалла Ниренберга на Международном биохимическом конгрессе, состоявшемся в Москве в 1961 году.

Генетический код, демонстрирующий последовательности триплетов в матричной РНК. Важное различие между ДНК и РНК заключается в том, что в ДНК содержится тимин, а в РНК – урацил. Оба этих основания комплементарны аденину. Функция стоп-кодонов понятна из их названия – они отмечают конец кодирующей части гена