ДНК. История генетической революции

Даже не предоставив мне возможности заново объяснить, чего я хочу, насколько я невежественен и как хочу работать, [Львофф] объявил: «Знаете, мы открыли индукцию профага!» [то есть узнали, как активировать ДНК бактериофага, внедренную в ДНК бактерии-хозяина].

«О!» – сказал я, вложив в этот возглас такую дозу восхищения, какую только мог, а про себя подумал: «И что за зверь этот профаг?»

Затем он спросил: «Вас интересует работа с фагами?» Я выдавил, что именно на нее я и рассчитывал. Он ответил: «Вот и хорошо, приходите первого сентября».

Очевидно, Жакоб отправился с собеседования прямиком в книжный магазин – покупать словарь, чтобы выяснять, чем же это он только что согласился заниматься.

Несмотря на столь бесславный старт, альянс Жакоба и Моно породил первоклассные научные достижения. Коллеги подступились к проблеме переключения генов у бактерии Escherichia coli – всем известной кишечной палочки. Они стали изучать, как эта бактерия синтезирует лактозу, молочный сахар. Для расщепления лактозы эта бактерия синтезирует фермент под названием β-галактозидаза, разделяющий лактозу на два более простых сахара: галактозу и глюкозу. Когда лактоза отсутствует в питательной среде, бактериальная клетка не синтезирует β-галактозидазу; но, когда лактоза появляется в растворе, клетка начинает продуцировать этот фермент. Жакоб и Моно рассудили, что именно наличие лактозы запускает синтез β-галактосидазы, и решили выяснить, как именно срабатывает механизм, который получил название механизма индукции-репрессии.

Поставив ряд красивых экспериментов, Жакоб и Моно установили, что синтез соответствующих белков – ферментов – индуцируется веществом, служащим субстратом и необходимым для нормальной жизнедеятельности клетки. Так, например, для нормальной жизнедеятельности E. coli необходим молочный сахар (лактоза), и в ее геноме содержатся гены, контролирующие синтез ферментов, гидролизующих лактозу до простых соединений. Если среда, в которой находятся бактерии, лактозы не содержит, эти гены пребывают в репрессированном состоянии и не функционируют. Внесенная в среду лактоза будет тем индуктором, который включает в работу длинные гены, и в клетке начинается синтез ферментов, гидролизующих лактозу до более простых соединений. После удаления лактозы из среды синтез этих ферментов прекращается. Механизм индукции-репрессии обеспечивает включение в работу тех генов, которые синтезируют необходимые на данном этапе жизнедеятельности клетки ферменты. Работа генов прекращается, когда деградируемый данными ферментами субстрат израсходован или когда синтезируемое данными ферментами вещество находится в избытке.

Оказалось, что в любых организмах действуют одни и те же принципы.

У высших организмов процесс регуляции работы генов осуществляется более сложно: у животных важную роль в этом процессе играют гормоны, клеточные мембраны; у растений – условия внешней среды, в том числе и окружающие клетки.

Жаков и Моно получили такие результаты, изучая мутантные штаммы Escherichia coli. Они не обнаружили прямых доказательств существования молекулы-репрессора, а просто логически предположили, что она существует, поскольку именно такое заключение позволяло разгадать эту генетическую загадку. Их идеи были подтверждены на молекулярном уровне лишь в конце 60-х годов, когда Уолтер (Уолли) Гилберт и Бенно Мюллер-Хилл из Гарварда решились выделить и проанализировать молекулу-репрессор как таковую. Жакоб и Моно лишь предсказали ее существование, а Гилберт и Мюллер-Хилл ее нашли. Поскольку обычно репрессор существует лишь в минимальных количествах – всего по несколько молекул на клетку, технически оказалось невероятно сложно собрать значимый образец, который удалось бы исследовать. Но в итоге у них все получилось.

В то же самое время на том же этаже, но в другой лаборатории трудился Марк Ташне, которому удалось выделить и описать другую молекулу-репрессор – на этот раз в системе переключения генов бактериофага. Оказалось, что молекулы-репрессоры – это белки, способные связываться с ДНК. Именно это и происходит с репрессором β-галактозидазы при отсутствии лактозы: он связывается с ДНК Escherichia coli на участке, расположенном поблизости от той точки, с которой начинается транскрипция гена β-галактосидазы. Таким образом, репрессор блокирует фермент, контролирующий синтез матричной РНК из гена.