Открытие двойной спирали ДНК стало одним из ключевых вех в истории мировой биологии; обязаны этим открытием мы дуэту Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика. Несмотря на то, что Уотсон снискал себе дурную славу определенными высказываниями, переоценить важность его открытия попросту невозможно.
Джеймс Дьюи Уотсон – американский специалист по молекулярной биологии, генетик и зоолог; более всего известен участием в открытии структуры ДНК в 1953-м. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине.
После успешного окончания Университета Чикаго и Университета Индианы Уотсон некоторое время вел исследования по химии вместе с биохимиком Германом Калькаром (Herman Kalckar) в Копенгагене (Copenhagen). Позже он перебрался в лабораторию Кэвендиша при Университете Кембриджа, где ему впервые довелось встретить его будущего коллегу и товарища Фрэнсиса Крика (Francis Crick).
До идеи двойной спирали ДНК Уотсон и Крик додумались в середине марта 1953-го, изучая собранные Розалинд Франклин (Rosalind Franklin) и Морисом Уилкинсом (Maurice Wilkins) экспериментальные данные. Объявил об открытии сэр Лоуренс Брэгг (Lawrence Bragg), директор лаборатории Кэвендиша; случилось этот на бельгийской научной конференции 8 апреля 1953-го. Важное заявление, впрочем, пресса фактически и не заметила. 25 апреля 1953-го статья об открытии была опубликована в научном журнале "Nature". Другие ученые-биологи и целый ряд нобелевских лауреатов быстро оценили всю монументальность открытия; некоторые даже называли это величайшим научным открытием 20-го века.
В 1962-м Уотсон, Крик и Уилкинс получили за свое открытие Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Четвертая участница проекта, Розалинд Франклин , скончалась в 1958-м и, как следствие, претендовать на премию уже не могла. Уотсон за свое открытие также удостоился монумента в Американском музее естественной истории в Нью-Йорке; поскольку монументы такие ставятся лишь в честь американских ученых, Крик и Уилкинс остались без памятников.
Уотсона по сей день считают одним из величайших ученых в истории; впрочем, как человека его многие откровенно недолюбливали. Джеймс Уотсон несколько раз становился фигурантом довольно громких скандалов; один из них имел прямое отношение к его работе – дело в том, что в ходе работы над моделью ДНК Уотсон и Крик использовали данные, полученные Розалинд Франклин , без её на то разрешения. С напарником Франклин, Уилкинсом, ученые работали довольно активно; сама же Розалинд, вполне возможно, так до конца жизни и могла и не узнать, насколько важную роль её эксперименты сыграли в понимании структуры ДНК.
С 1956-го по 1976-й Уотсон работал на факультете биологии Гарварда; интересовала его в этот период преимущественно биология молекулярная.
В 1968-м Уотсон получил место директора в лаборатории "Cold Spring Harbor" в Лонг-Айленде, Нью-Йорк (Long Island, New York); стараниями его в лаборатории изрядно поднялся уровень качества исследовательской работы, да и финансирование заметно улучшилось. Сам Уотсон в этот период занимался преимущественно исследованиями рака; попутно он сделал подвластную ему лабораторию одним из лучших в мире центров молекулярной биологии.
В 1994-м Уотсон стал президентом исследовательского центра, в 2004-м – ректором; в 2007-м он оставил занимаемую должность после довольно непопулярных высказываний о существовании связи между уровнем интеллекта и происхождением.
В период с 1988-го по 1992-й Уотсон активно сотрудничал с Национальными институтами здоровья, помогая развивать проект по исследованию генома человека.
Уотсон также был печально известен откровенно провокационными и, зачастую, оскорбительными комментариями о своих коллегах; помимо прочих, проходился он в своих речах и по Франклин (уже после её смерти). Ряд его высказываний можно было воспринять как выпады в сторону гомосексуалов и толстяков.
, Физиолог , Медик
Френсис Харри Комптон Крик - английский специалист в области молекулярной биологии и генетик. Нобелевская премия по физиологии и медицине (1962 год, совместно с Джеймсом Дьюи Уотсоном и Морисом Уилкинсоном).
Френсис Крик родился 8 июня 1916 года, Нортхепмтон, Великобритания, в семье преуспевающего обувного фабриканта. После того как семья перебралась в Лондон, обучался в школе Милл-Хилл, где проявились его способности к физике, химии и математике. В 1937 году по окончании университетского Оксфордского колледжа Крик получил степень бакалавра естественных наук, защитив дипломную работу - вязкость воды при высоких температурах.
Каждый раз, когда я пишу работу о происхождении жизни, я решаю, что никогда не буду писать еще одну...
Крик Френсис Харри Комптон
В 1939 году, уже во время Второй мировой войны, Френсис Крик начал работать в научно-исследовательской лаборатории Военно-морского министерства, занимаясь глубоководными минами. По окончании войны, продолжая работу в этом ведомстве, познакомился с книгой видного австрийского ученого Эрвина Шредингера «Что такое жизнь? Физические аспекты живой клетки» (1944), в которой пространственно-временные события, происходящие в живом организме, объяснялись с позиции физики и химии. Идеи, изложенные в книге, настолько повлияли на Крика, что он, намереваясь заняться физикой частиц, переключился на биологию.
Получив стипендию Совета по медицинским исследованиям, Крик в 1947 году начал работать в Стрэнджвейской лаборатории в Кембридже, где он изучал биологию, органическую химию и методы рентгеновской дифракции, используемые для определения пространственной структуры молекул. Его познания в биологии значительно расширились после перехода в 1949 в знаменитую Кавендишскую лабораторию в Кембридже – один из мировых центров молекулярной биологии, где под руководством видного биохимика Макса Фердинанда Перуца Фрэнсис Крик исследовал молекулярную структуру белков. Он пытался найти химическую основу генетики, которая, как он предполагал, могла быть заложена в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК).
Процесс научного исследования глубоко интимен: иногда мы сами не знаем, что мы делаем.
Крик Френсис Харри Комптон
В этот же период одновременно с Криком в той же области работали и другие ученые. В 1950 американский биолог Эрвин Чаргафф из Колумбийского университета пришел к выводу, что ДНК включает равные количества четырех азотистых оснований - аденина, тимина, гуанина и цитозина. Английские коллеги Крика М. Уилкинс и Р. Франклин из Кингс-колледжа Лондонского университета провели рентгеновские дифракционные исследования молекул ДНК.
В 1951 году Ф. Крик начал совместные исследования с молодым американским биологом Дж. Уотсоном в Кавендишской лаборатории. Основываясь на ранних исследованиях Чаргаффа, Уилкинса и Франклин, Крик и Уотсон, разрабатывая в течение двух лет пространственную структуру молекулы ДНК, сконструировали ее модель из шариков, кусков проволоки и картона. Согласно их модели ДНК
В нуклеотидной последовательности ДНК записана (кодирована) генетическая информация о всех признаках вида и особенностях особи (индивидуума) - ее генотип. ДНК регулирует биосинтез компонентов клеток и тканей, определяет деятельность организма в течение всей его жизни. представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей моносахарида и фосфата, соединенных парами оснований внутри спирали, причем аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином, а основания друг с другом – водородными связями. Модель Уотсона–Крика позволила другим исследователям отчетливо представить процесс синтеза ДНК. Две цепи молекулы разделяются в местах водородных связей наподобие открытия застежки-молнии, после чего на каждой половине прежней молекулы ДНК происходит синтез новой. Последовательность оснований действует как матрица или образец для новой молекулы.
В 1953 ujle создание модели ДНК было ими завершено, и Фрэнсис Крик был удостоен степени доктора философии в Кембридже, защитив диссертацию, посвященную рентгеновскому дифракционному анализу структуры белка. В 1954 году он занимался расшифровкой генетического кода. Будучи изначально теоретиком, Крик начал совместно с С. Бреннером изучение генетических мутаций в бактериофагах - вирусах, инфицирующих бактериальные клетки.
Я могу назвать три области науки, в которых наблюдался очень быстрый прогресс. Прежде всего, это молекулярная биология и геология, которые получили взрывоподобное развитие за последние 15–20 лет. Третья область - астрономия, в которой наиболее важным событием было создание радиотелескопов. Именно с их помощью удалось открыть многие непредвиденные и важные явления во Вселенной, такие, как пульсары, квазары и «черные дыры».
Крик Френсис Харри Комптон
К 1961 году были открыты три типа рибонуклеиновой кислоты (РНК): информационная, рибосомальная и транспортная. Крик и его коллеги предложили способ считывания генетического кода. В соответствии с теорией Крика информационная РНК получает генетическую информацию с ДНК в ядре клетки и переносит ее к рибосомам - местам синтеза белков в цитоплазме клетки. Транспортная РНК переносит в рибосомы аминокислоты. Информационная и рибосомная РНК, взаимодействуя друг с другом, обеспечивают соединение аминокислот для образования молекул белка в правильной последовательности. Генетический код составляют триплеты азотистых оснований ДНК и РНК для каждой из 20 аминокислот. Гены состоят из многочисленных основных триплетов, которые Крик назвал кодонами, они одинаковы у различных видов.
В 1962 году Крик, Уилкинс и Уотсон были удостоены Нобелевской премии «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значения для передачи информации в живых системах». В год получения Нобелевской премии Крик стал заведующим биологической лаборатории Кембриджского университета и иностранным членом Совета Солковского института в Сан-Диего (штат Калифорния). В 1977 году, перебравшись в Сан-Диего, Фрэнсис Крик обратился к исследования в области нейробиологии, в частности, механизмов зрения и сновидений.
В своей книге «Жизнь как она есть: ее происхождение и природа» (1981) ученый отмечал удивительное сходство всех форм жизни. Ссылаясь на открытия в молекулярной биологии, палеонтологии и космологии, он предположил, что жизнь на Земле могла произойти от микроорганизмов, которые были рассеяны по всему пространству с другой планеты. Эту теорию он и его коллега Л. Оргел назвали «непосредственной панспермией».
Крик Френсис прожил долгую жизнь, он скончался 30 июля 2004 года, в Сан-Диего, США, в возрасте 88 лет.
Еще при жизни Крик был удостоен многочисленных премий и наград (премии Ш. Л. Майера Французской академии наук, 1961 год; научной премии Американского исследовательского общества, 1962; Королевской медали, 1972; медали Джона Синглтона Копли Королевского общества, 1976).
Фрэнсис Крик - цитаты
Каждый раз, когда я пишу работу о происхождении жизни, я решаю, что никогда не буду писать еще одну...
Процесс научного исследования глубоко интимен: иногда мы сами не знаем, что мы делаем.
Я могу назвать три области науки, в которых наблюдался очень быстрый прогресс. Прежде всего, это молекулярная биология и геология, которые получили взрывоподобное развитие за последние 15–20 лет. Третья область - астрономия, в которой наиболее важным событием было создание радиотелескопов. Именно с их помощью удалось открыть многие непредвиденные и важные явления во Вселенной, такие, как пульсары, квазары и «черные дыры».
Двойной спирали ДНК 50 лет!
В субботу 28 февраля 1953 г. двое молодых ученых, Дж.Уотсон и Ф.Крик, в небольшой закусочной Eagle в Кембридже объявили толпе пришедших на ленч людей, что они открыли секрет жизни. Много лет спустя Одиль, жена Ф.Крика, сказала, что она, конечно, не поверила ему: приходя домой, он часто заявлял что-нибудь в этом роде, но потом оказывалось, что это ошибка. На этот раз ошибки не было, и с этого заявления началась революция в биологии, которая продолжается и по сей день.
25 апреля 1953 г. в журнале Nature появились сразу три статьи по структуре нуклеиновых кислот. В одной из них, написанной Дж.Уотсоном и Ф.Криком, была предложена структура молекулы ДНК в виде двойной спирали. В двух других, написанных М.Вилкинсом, А.Стоксом, Г.Вилсоном, Р.Франклин и Р.Гослингом, были приведены экспериментальные данные, подтверждающие спиральную структуру молекул ДНК. История открытия двойной спирали ДНК напоминает приключенческий роман и заслуживает хотя бы краткого изложения.
Важнейшие представления о химической природе генов и матричном принципе их воспроизводства были впервые четко сформулированы в 1927 г. Н.К. Кольцовым (1872–1940). Его ученик Н.В. Тимофеев-Ресовский (1900–1981) воспринял эти идеи и развил их как принцип конвариантной редупликации генетического материала. Немецкий физик Макс Дельбрюк (1906–1981; Нобелевская премия 1969 г.), работавший в середине 1930-х гг. в Химическом институте кайзера Вильгельма в Берлине, под влиянием Тимофеева-Ресовского заинтересовался биологией настолько, что бросил физику и стал биологом.
В течение долгого времени, в полном соответствии с определением жизни, данным Энгельсом, биологи считали, что наследственным веществом являются какие-то особые белки. О том, что нуклеиновые кислоты могут иметь к генам какое-то отношение, никто и не думал – слишком уж они казались простыми. Так продолжалось до 1944 г., когда было сделано открытие, коренным образом изменившее все дальнейшее развитие биологии.
В этом году была опубликована
статья Освальда Эйвери, Колина Маклеода и
Маклина Маккарти о том, что у пневмококков
наследуемые свойства передаются от одних
бактерий другим с помощью чистой ДНК, т.е. именно
ДНК является веществом наследственности. Затем
Маккарти и Эйвери показали, что обработка ДНК
расщепляющим ее ферментом (ДНКазой) приводит к
потере ею свойств гена. До сих пор непонятно,
почему это открытие осталось не отмеченным
Нобелевской премией.
Незадолго до того, в 1940 г., Л.Полинг (1901–1994; Нобелевские премии 1954 и 1962 гг.) и М.Дельбрюк разработали концепцию молекулярной комплементарности в реакциях антиген-антитело. В те же годы Полинг и Р.Кори показали, что полипептидные цепи могут образовывать спиральные структуры, а несколько позже, в 1951 г., Полинг разработал теорию, позволявшую предсказывать виды рентгенограмм для различных спиральных структур.
После открытия Эйвери с соавторами, несмотря на то, что сторонников теории белковых генов оно не убедило, стало ясно, что необходимо определить структуру ДНК. Среди понявших значение ДНК для биологии началась гонка за результатами, сопровождавшаяся жесткой конкуренцией.
Рентгеновская установка, применявшаяся в 1940-х гг. для изучения кристаллической структуры аминокислот и пептидов
В 1947–1950 гг. Э.Чаргафф на основании многочисленных экспериментов установил правило соответствия между нуклеотидами в ДНК: количества пуриновых и пиримидиновых оснований одинаковы, причем количество адениновых оснований равно количеству тиминовых, а количество гуаниновых оснований – количеству цитозиновых.
Первые структурные работы (С.Ферберг, 1949, 1952) показали, что ДНК имеет спиральную структуру. Имея огромный опыт определения структуры белков по рентгенограммам, Полинг без сомнения мог бы быстро решить проблему структуры ДНК, будь у него сколько-нибудь приличные рентгенограммы. Однако их не было, а по тем, что ему удалось получить, не удавалось сделать однозначный выбор в пользу одной из возможных структур. В результате, торопясь опубликовать результат, Полинг выбрал неверный вариант: в статье, опубликованной в начале 1953 г., он предложил структуру в виде трехнитчатой спирали, в которой фосфатные остатки образуют жесткую сердцевину, а азотистые основания расположены на периферии.
Много лет спустя, вспоминая историю открытия структуры ДНК, Уотсон заметил, что «Лайнус [Полинг] не заслуживал того, чтобы угадать правильное решение. Он не читал статей и ни с кем не разговаривал. Более того, он даже забыл собственную статью с Дельбрюком, в которой говорится о комплементарности репликации генов. Он думал, что сможет определить структуру только потому, что такой умный».
Когда Уотсон и Крик начали работу над структурой ДНК, уже многое было известно. Оставалось получить надежные рентгеноструктурные данные и интерпретировать их на основании уже имевшихся тогда сведений. Как все это происходило, хорошо описано в известной книге Дж.Уотсона «Двойная спираль», хотя многие факты в ней изложены весьма субъективно.
Дж.Уотсон и Ф.Крик на пороге великого открытия
Конечно, для того, чтобы построить модель двойной спирали, нужны были обширные знания и интуиция. Но не будь совпадения нескольких случайностей, модель могла появиться несколькими месяцами позже, а ее авторами могли быть другие ученые. Вот несколько примеров.
Розалинда Франклин (1920–1958), работавшая с М.Вилкинсом (Нобелевская премия 1962 г.) в Кингс-колледже (Лондон), получила высочайшего качества рентгенограммы ДНК. Но работа эта ее интересовала мало, она считала ее рутинной и не спешила делать выводы. Этому способствовали ее плохие отношения с Вилкинсом.
В самом начале 1953 г. Вилкинс без ведома Р.Франклин показал Уотсону ее рентгенограммы. Кроме того, в феврале того же года Макс Перутц показал Уотсону и Крику годовой отчет Совета по медицинским исследованиям с обзором работ всех ведущих сотрудников, включая Р.Франклин. Этого оказалось достаточно, чтобы Ф.Крик и Дж.Уотсон смогли понять, как должна быть устроена молекула ДНК.
Рентгенограмма ДНК, полученная Р.Франклин
В статье Вилкинса с соавторами, опубликованной в том же номере Nature , что и статья Уотсона и Крика, показано, что, судя по рентгенограммам, структура ДНК из разных источников примерно одинакова и представляет собой спираль, у которой азотистые основания расположены внутри, а фосфатные остатки снаружи.
Статья Р.Франклин (с ее студентом Р.Гослингом) была написана в феврале 1953 г. Уже в начальном варианте статьи она описала структуру ДНК в виде двух коаксиальных и сдвинутых друг относительно друга вдоль оси спиралей с азотистыми основаниями внутри и фосфатами снаружи. По ее данным, шаг спирали ДНК в форме В (т.е. при относительной влажности >70%) составлял 3,4 нм, и на один виток приходилось 10 нуклеотидов. В отличие от Уотсона и Крика, Франклин не строила моделей. Для нее ДНК была не более интересным объектом исследования, чем каменный уголь и углерод, которыми она занималась во Франции до приезда в Кингс-колледж.
Узнав о модели Уотсона–Крика, она от руки дописала в окончательном варианте статьи: «Таким образом, наши общие представления не противоречат модели Уотсона и Крика, приведенной в предыдущей статье». Что и не удивительно, т.к. эта модель была основана на ее экспериментальных данных. Но ни Уотсон, ни Крик, несмотря на самые дружеские отношения с Р.Франклин, никогда не говорили ей того, что спустя годы после ее смерти много раз повторяли публично, – что без ее данных они никогда не смогли бы построить свою модель.
Р.Франклин (крайняя слева) на встрече с коллегами в Париже
Р.Франклин умерла от рака в 1958 г. Многие считают, что, доживи она до 1962 г., Нобелевскому комитету пришлось бы нарушить свои строгие правила и вручить премию не трем, а четырем ученым. В знак признания заслуг ее и Вилкинса, одно из зданий в Кингс-колледже назвали «Франклин–Вилкинс», навсегда соединив имена людей, которые друг с другом почти не разговаривали.
При знакомстве со статьей Уотсона и Крика (она приведена ниже) удивляют ее малый объем и лапидарный стиль. Авторы прекрасно понимали значение своего открытия и, тем не менее, ограничились лишь описанием модели и кратким указанием, что «из постулированного … специфического образования пар сразу же следует возможный механизм копирования генетического материала». Сама модель взята как будто «с потолка» – нет никаких указаний на то, как она была получена. Не приведены ее структурные характеристики, за исключением шага и числа нуклеотидов на шаг спирали. Образование пар также описано нечетко, т.к. в то время использовались две системы нумерации атомов в пиримидинах. Статья иллюстрирована лишь одним рисунком, сделанным женой Ф.Крика. Однако для обычных биологов перегруженные кристаллографическими данными статьи Вилкинса и Франклин были трудны для восприятия, а статью Уотсона и Крика поняли все.
Позже и Уотсон, и Крик признавали, что просто боялись в первой же статье излагать все детали. Это было сделано во второй статье, озаглавленной «Генетические следствия из структуры ДНК» и напечатанной в Nature 30 мая того же года. В ней приведены обоснования модели, все размеры и детали структуры ДНК, схемы образования цепей и спаривания оснований, обсуждены различные следствия для генетики. Характер и тон изложения говорят о том, что авторы вполне уверены в своей правоте и важности своего открытия. Правда, пару Г–Ц они соединили только двумя водородными связями, но уже через год в методической статье указали, что возможны три связи. Вскоре и Полинг подтвердил это расчетами.
Открытие Уотсона и Крика показало, что генетическая информация записана в ДНК четырехбуквенным алфавитом. Но потребовалось еще 20 лет на то, чтобы научиться ее читать. Сразу же встал вопрос о том, каким должен быть генетический код. Ответ на него в 1954 г. предложил физик-теоретик Г.А. Гамов*: информация в ДНК кодируется триплетами нуклеотидов – кодонами. Это было подтверждено экспериментально в 1961 г. Ф.Криком и С.Бреннером. Затем в течение 3–4 лет в работах М.Ниренберга (Нобелевская премия 1965 г.), С.Очоа (Нобелевская премия 1959 г.), Х.Кораны (Нобелевская премия 1965 г.) и др. было определено соответствие между кодонами и аминокислотами.
В середине 1970-х гг. Ф.Сэнгер (р. 1918;
Нобелевские премии 1958 и 1980 гг.), также
работавший в Кембридже, разработал метод
определения последовательностей нуклеотидов в
ДНК. Сэнгер использовал его для определения
последовательности 5386 оснований, составляющих
геном бактериофага jХ174. Однако геном этого фага
– редкое исключение: он представляет собой
одноцепочечную ДНК.
Настоящая эра геномов началась в мае 1995 г.,
когда Дж.К. Вентер объявил о расшифровке
первого генома одноклеточного организма –
бактерии Haemophilus influenzae
. Сейчас расшифрованы
геномы около 100 различных организмов.
Еще недавно ученые думали, что всё в
клетке определяется последовательностью
оснований в ДНК, однако жизнь, по-видимому,
гораздо сложнее.
Теперь хорошо известно, что ДНК нередко имеет
форму, отличную от двойной спирали
Уотсона–Крика. Более 20 лет назад в
лабораторных экспериментах была обнаружена так
называемая Z-спиральная структура ДНК. Это тоже
двойная спираль, но закрученная в другую сторону
по сравнению с классической структурой. До
недавнего времени считалось, что Z-ДНК не имеет
отношения к живым организмам, но недавно группа
исследователей из Национальных институтов
сердца, легких и крови (США) обнаружила, что один
из генов иммунной системы активируется только
тогда, когда часть его регуляторной
последовательности переходит в Z-форму. Теперь
предполагается, что временное образование
Z-формы может быть необходимым звеном в регуляции
экспресии многих генов. Обнаружено, что в
некоторых случаях вирусные белки связываются с
Z-ДНК и приводят к повреждению клеток.
Кроме спиральных структур ДНК может образовывать хорошо известные скрученные кольца у прокариот и некоторых вирусов.
В прошлом году С.Найдл из Института исследований рака (Лондон) обнаружил, что нерегулярные концы хромосом – теломеры, представляющие собой одиночные цепи ДНК, – могут складываться в очень регулярные структуры, напоминающие пропеллер). Сходные структуры были обнаружены и в других участках хромосом и получили название G-квадруплексов, поскольку образуются участками ДНК, богатыми гуанином.
По-видимому, такие структуры способствуют стабилизации участков ДНК, на которых они образуются. Один из G-квадруплексов был обнаружен непосредственно рядом с геном c-MYC , активация которого вызывает рак. В этом случае он может предотвращать связывание с ДНК белков – активаторов гена, и исследователи уже начали поиск препаратов, стабилизирующих структуру G-квадруплексов, в надежде, что они помогут в борьбе с раком.
В последние годы была обнаружена не только способность молекул ДНК к формированию структур, отличных от классической двойной спирали. К удивлению ученых, в ядре клетки молекулы ДНК находятся в непрерывном движении, как бы «танцуют».
Давно известно, что ДНК образует комплексы с белками-гистонами в ядре с протамином в сперматозоидах. Однако эти комплексы считались прочными и статичными. С помощью современной видеотехники удалось заснять динамику этих комплексов в реальном времени. Оказалось, что молекулы ДНК постоянно образуют мимолетные связи друг с другом и с разнообразными белками, которые, как мухи, вьются вокруг ДНК. Некоторые белки движутся с такой скоростью, что от одной стороны ядра до другой проходят за 5 с. Даже гистон Н1, наиболее прочно связанный с молекулой ДНК, каждую минуту диссоциирует и снова связывается с ней. Это непостоянство связей помогает клетке регулировать активность своих генов – ДНК постоянно проверяет наличие в своем окружении факторов транскрипции и других регуляторных белков.
Ядро, которое считалось довольно статическим образованием – хранилищем генетической информации, – на самом деле живет бурной жизнью, и от того, какова хореография его компонентов, во многом зависит благополучие клетки. Некоторые болезни человека могут быть вызваны нарушениями координации этих молекулярных танцев.
Очевидно, что при такой организации жизни ядра его разные участки неравноценны – наиболее активные «танцоры» должны быть ближе к центру, а наименее активные – к стенкам. Так оно и оказалось. Например, у человека хромосома 18, в которой всего несколько активных генов, всегда находится вблизи границы ядра, а набитая активными генами хромосома 19 – всегда вблизи его центра. Более того, движение хроматина и хромосом и даже просто взаимное расположение хромосом, по-видимому, влияет на активность их генов. Так, близкое расположение хромосом 12, 14 и 15 в ядрах клеток лимфомы мыши считают фактором, способствующим превращению клетки в раковую.
Прошедшие полвека в биологии стали эрой ДНК – в 1960-х гг. расшифрован генетический код, в 1970-х гг. получены рекомбинантные ДНК и разработаны методы секвенирования, в 1980-х гг. разработана полимеразная цепная реакция (ПЦР), в 1990 г. начат проект «Геном человека». Один из друзей и коллег Уотсона, У.Гилберт, считает, что традиционная молекулярная биология умерла – теперь все можно выяснить, изучая геномы.
Ф.Крик среди сотрудников лаборатории молекулярной биологии в Кембридже
Сейчас, просматривая статьи Уотсона и Крика 50-летней давности, удивляешься, как много из предположений оказались верными или близкими к истине – ведь у них не было почти никаких экспериментальных данных. Что касается самих авторов, пятидесятилетие открытия структуры ДНК оба ученых встречают, активно работая теперь уже в разных областях биологии. Дж.Уотсон был одним из инициаторов проекта «Геном человека» и продолжает работать в области молекулярной биологии, а Ф.Крик в начале 2003 г. опубликовал статью о природе сознания.
Дж.Д. Уотсон,
|
* Георгий Антонович Гамов (1904–1968, эмигрировал в США в 1933 г.) – один из крупнейших ученых XX в. Он автор теории тета-распада и туннельного эффекта в квантовой механике; жидко-капельной модели атомного ядра – основы теорий ядерного распада и термоядерных реакций; теории внутренней структуры звезд, показавшей, что источником солнечной энергии являются термоядерные реакции; теории «Большого взрыва» в эволюции Вселенной; теории реликтового излучения в космологии. Хорошо известны его научно-популярные книги, такие как серия книг о мистере Томпкинсе («Мистер Томпкинс в Стране чудес», «Мистер Томпкинс внутри себя» и др.), «Раз, два, три… бесконечность», «Планета под названием Земля» и др.
Английский специалист в области молекулярной биологии Фрэнсис Харри Комптон Крик родился в Нортхемптоне и был старшим из двух сыновей Харри Комптона Крика, зажиточного обувного фабриканта, и Анны Элизабет (Вилкинс) Крик. Проведя свое детство в Нортхемптоне, он посещал среднюю классическую школу. Во время экономического кризиса, наступившего после первой мировой войны, коммерческие дела семьи пришли в упадок, и родители Крика переехали в Лондон. Будучи студентом школы Милл-Хилл, Крик проявил большой интерес к физике, химии и математике. В 1934 г. он поступил в Университетский колледж в Лондоне для изучения физики и окончил его через три года, получив звание бакалавра естественных наук. Завершая образование в Университетском колледже, Крик рассматривал вопросы вязкости воды при высоких температурах; эта работа была прервана в 1939 г. разразившейся второй мировой войной.
В военные годы К. занимался созданием мин в научно-исследовательской лаборатории Военно-морского министерства Великобритании. В течение двух лет после окончания войны он продолжал работать в этом министерстве и именно тогда прочитал известную книгу Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь? Физические аспекты живой клетки» («What Is Life? The Physical Aspects of the Living Cell»), вышедшую в свет в 1944 г. В книге Шрёдингер задается вопросом: «Как можно пространственно-временные события, происходящие в живом организме, объяснить с позиции физики и химии?»
Идеи, изложенные в книге, настолько повлияли на К., что он, намереваясь заняться физикой частиц, переключился на биологию. При поддержке Арчибалда В. Хилла К. получил стипендию Совета по медицинским исследованиям и в 1947 г. начал работать в Стрэнджвейской лаборатории в Кембридже. Здесь он изучал биологию, органическую химию и методы рентгеновской дифракции, используемые для определения пространственной структуры молекул. Его познания в биологии значительно расширились после перехода в 1949 г. в Кавендишскую лабораторию в Кембридже – один из мировых центров молекулярной биологии.
Под руководством Макса Перуца К. исследовал молекулярную структуру белков, в связи с чем у него возник интерес к генетическому коду последовательности аминокислот в белковых молекулах. Изучая вопрос, определенный им как «граница между живым и неживым», Крик пытался найти химическую основу генетики, которая, как он предполагал, могла быть заложена в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК).
Когда К. начал работать над докторской диссертацией в Кембридже, уже было известно, что нуклеиновые кислоты состоят из ДНК и РНК (рибонуклеиновой кислоты), каждая из которых образована молекулами моносахарида группы пентоз (дезоксирибозы или рибозы), фосфатом и четырьмя азотистыми основаниями – аденином, тимином, гуанином и цитозином (в РНК вместо тимина содержится урацил). В 1950 г. Эрвин Чаргафф из Колумбийского университета показал, что ДНК включает равные количества этих азотистых оснований. Морис Х.Ф. Уилкинс и его коллега Розалинда Франклин из Королевского колледжа Лондонского университета провели рентгеновские дифракционные исследования молекул ДНК и сделали вывод, что ДНК имеет форму двойной спирали, напоминающей винтовую лестницу.
В 1951 г. двадцатитрехлетний американский биолог Джеймс Д. Уотсон пригласил К. на работу в Кавендишскую лабораторию. Впоследствии у них установились тесные творческие контакты. Основываясь на ранних исследованиях Чаргаффа, Уилкинса и Франклин, К. и Уотсон намеревались определить химическую структуру ДНК. В течение двух лет они разработали пространственную структуру молекулы ДНК, сконструировав ее модель из шариков, кусков проволоки и картона. Согласно их модели, ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей моносахарида и фосфата (дезоксирибозофосфата), соединенных парами оснований внутри спирали, причем аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином, а основания друг с другом – водородными связями.
Нобелевские лауреаты Уотсон и Крик
Модель позволила другим исследователям отчетливо представить репликацию ДНК. Две цепи молекулы разделяются в местах водородных связей наподобие открытия застежки-молнии, после чего на каждой половине прежней молекулы ДНК происходит синтез новой. Последовательность оснований действует как матрица, или образец, для новой молекулы.
В 1953 г. К. и Уотсон завершили создание модели ДНК. В этом же году К. получил степень доктора философии в Кембридже, защитив диссертацию, посвященную рентгеновскому дифракционному анализу структуры белка. В течение следующего года он изучал структуру белка в Бруклинском политехническом институте в Нью-Йорке и читал лекции в разных университетах США. Возвратившись в Кембридж в 1954 г., он продолжил свои исследования в Кавендишской лаборатории, сконцентрировав внимание на расшифровке генетического кода. Будучи изначально теоретиком, К. начал совместно с Сиднеем Бреннером изучение генетических мутаций в бактериофагах (вирусах, инфицирующих бактериальные клетки).
К 1961 г. были открыты три типа РНК: информационная, рибосомальная и транспортная. К. и его коллеги предложили способ считывания генетического кода. Согласно теории К., информационная РНК получает генетическую информацию с ДНК в ядре клетки и переносит ее к рибосомам (местам синтеза белков) в цитоплазме клетки. Транспортная РНК переносит в рибосомы аминокислоты.
Информационная и рибосомная РНК, взаимодействуя друг с другом, обеспечивают соединение аминокислот для образования молекул белка в правильной последовательности. Генетический код составляют триплеты азотистых оснований ДНК и РНК для каждой из 20 аминокислот. Гены состоят из многочисленных основных триплетов, которые К. назвал кодонами; кодоны одинаковы у различных видов.
К., Уилкинс и Уотсон разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1962 г. «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значения для передачи информации в живых системах». А.В. Энгстрём из Каролинского института сказал на церемонии вручения премии: «Открытие пространственной молекулярной структуры... ДНК является крайне важным, т. к. намечает возможности для понимания в мельчайших деталях общих и индивидуальных особенностей всего живого». Энгстрём отметил, что «расшифровка двойной спиральной структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты со специфическим парным соединением азотистых оснований открывает фантастические возможности для разгадывания деталей контроля и передачи генетической информации».
В год получения Нобелевской премии К. стал заведующим биологической лаборатории Кембриджского университета и иностранным членом Совета Солковского института в Сан-Диего (штат Калифорния). В 1977 г. он переехал в Сан-Диего, получив приглашение на должность профессора. В Солковском институте К. проводил исследования в области нейробиологии, в частности изучал механизмы зрения и сновидений. В 1983 г. совместно с английским математиком Грэмом Митчисоном он предположил, что сновидения являются побочным эффектом процесса, посредством которого человеческий мозг освобождается от чрезмерных или бесполезных ассоциаций, накопленных во время бодрствования. Ученые выдвинули гипотезу, что эта форма «обратного учения» существует для предупреждения перегрузки нервных процессов.
В книге «Жизнь как она есть: ее происхождение и природа» («Life Itself: Its Origin and Nature», 1981) К. отметил удивительное сходство всех форм жизни. «За исключением митохондрий, – писал он, – генетический код идентичен во всех живых объектах, изученных в настоящее время». Ссылаясь на открытия в молекулярной биологии, палеонтологии и космологии, он предположил, что жизнь на Земле могла произойти от микроорганизмов, которые были рассеяны по всему пространству с другой планеты; эту теорию он и его коллега Лесли Оргел назвали «непосредственной панспермией».
В 1940 г. К. женился на Рут Дорин Додд; у них родился сын. Они развелись в 1947 г., и через два года К. женился на Одиль Спид. У них было две дочери.
Многочисленные награды К. включают премию Шарля Леопольда Майера Французской академии наук (1961), научную премию Американского исследовательского общества (1962), Королевскую медаль (1972), медаль Копли Королевского общества (1976). К. – почетный член Лондонского королевского общества, Королевского общества Эдинбурга, Королевской ирландской академии, Американской ассоциации содействия развитию наук, Американской академии наук и искусств и американской Национальной академии наук.
Джеймс Дьюи Уотсон - американский биохимик. Родился 6 апреля 1928 года в Чикаго (штат Иллинойс). Он был единственным ребенком в семье бизнесмена Джеймса Д. Уотсона и Джин (Митчелл) Уотсон. В родном городе мальчик получил начальное и среднее образование. Вскоре стало очевидно, что Джеймс необыкновенно одаренный ребенок, и его пригласили на радио для участия в программе «Викторины для детей». Лишь два года проучившись в средней школе, Уотсон получил в 1943 году стипендию для обучения в экспериментальном четырехгодичном колледже при Чикагском университете, где проявил интерес к изучению орнитологии. Окончив в 1947 году университет со степенью бакалавра естественных наук, он продолжил затем образование в Индианском университете Блумингтона.
Родился в Чикаго, штат Иллинойс. В возрасте 15 лет поступил в университет Чикаго, который окончил четырьмя годами позже. В 1950 году получили докторскую степень доктора в университете штата Индиана за изучение вирусов. К этому времени Уотсон заинтересовался генетикой и начал обучение в Индиане под руководством специалиста в этой области Г.Д. Меллера и бактериолога С. Лурия. В 1950 году молодой ученый получил степень доктора философии за диссертацию о влиянии рентгеновских лучей на размножение бактериофагов (вирусов, инфицирующих бактерии). Субсидия Национального исследовательского общества позволила ему продолжить исследования бактериофагов в Копенгагенском университете в Дании. Там он проводил изучение биохимических свойств ДНК бактериофага. Однако, как он позднее вспоминал, эксперименты с бактериофагом стали его тяготить, ему хотелось узнать больше об истинной структуре молекул ДНК, о которых так увлеченно говорили генетики. Его посещение Кавендишской лаборатории в 1951 году привело к сотрудничеству с Фрэнсисом Криком, которое увенчалось открытием структуры ДНК.
В октябре 1951 года ученый отправился в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета для исследования пространственной структуры белков совместно с Д.К. Кендрю. Там он и познакомился с Криком, физиком, интересовавшимся биологией и писавшим в то время докторскую диссертацию.
«Это была интеллектуальная любовь с первого взгляда, – утверждает один историк науки. – Их научные воззрения и интересы – самая важная проблема, которую надо решать, если вы биолог». Несмотря на общность интересов, взглядов на жизнь и стиль мышления, Уотсон и Крик беспощадно, хотя и вежливо, критиковали друг друга. Их роли в этом интеллектуальном дуэте были разными. «Френсис был мозгом, а я – чувством», – говорит Уотсон.
Начиная с 1952 года, основываясь на ранних исследованиях Чаргаффа, Уилкинса и Франклин, Крик и Уотсон решили попытаться определить химическую структуру ДНК.
Вспоминая об отношении к ДНК подавляющего большинства биологов тех дней, Уотсон писал: «После опытов Эйвери было похоже, что именно ДНК основной генетический материал. Таким образом, выяснение химического строения ДНК могло оказаться важным шагом к пониманию того, как воспроизводятся гены. Но в отличие от белков, относительно ДНК имелось очень мало точно установленных химических сведений. Ею занимались считанные химики, и за исключением того факта, что нуклеиновые кислоты представляют собой очень большие молекулы, построенные из меньших строительных блоков – нуклеотидов, об их химии не было известно ничего такого, за что мог бы ухватиться генетик. Более того, химики-органики, работавшие с ДНК, почти никогда не интересовались генетикой».
Американские ученые постарались свести воедино все имевшиеся до сих пор сведения о ДНК, как физико-химические, так и биологические. Как пишет В.Н. Сойфер: «Уотсон и Крик подвергли анализу данные рентгеноструктурного анализа ДНК, сопоставили их с результатами химических исследований соотношения нуклеотидов в ДНК (правила Чаргаффа) и применили к ДНК идею Л. Полинга о возможности существования спиральных полимеров, высказанную им в отношении белков. В результате они смогли предложить гипотезу о структуре ДНК, согласно которой ДНК представлялась составленной из двух полинуклеотидных нитей, соединенных водородными связями и взаимно закрученных друг относительно друга. Гипотеза Уотсона и Крика так просто объясняла большинство загадок о функционировании ДНК как генетической матрицы, что она буквально сразу была принята генетиками и в короткий срок экспериментально доказана».
Исходя из этого, Уотсон и Крик предложили следующую модель ДНК:
1. Две цепочки в структуре ДНК обвиты одна вокруг другой и образуют правозакрученную спираль.
2. Каждая цепь составлена регулярно повторяющимися остатками фосфорной кислоты и сахара дезоксирибозы. К остаткам сахара присоединены азотистые основания (по одному на каждый сахарный остаток).
3. Цепочки фиксированы друг относительно друга водородными связями, соединяющими попарно азотистые основания. В результате оказывается, что фосфорные и углеводные остатки расположены на наружной стороне спирали, а основания заключены внутри ее. Основания перпендикулярны к оси цепочек.
4. Имеется правило отбора для соединения оснований в пары. Пуриновое основание может сочетаться с пиримидиновым, и, более того, тимин может соединяться только с аденином, а гуанин – с цитозином…
5. Можно поменять местами: а) участников данной пары; б) любую пару на другую пару, и это не приведет к нарушению структуры, хотя решающим образом скажется на ее биологической активности.
«Наша структура, – писали Уотсон и Крик, – состоит, таким образом, из двух цепочек, каждая из которых является комплементарной по отношению к другой».
В феврале 1953 года Крик и Уотсон сделали сообщение о структуре ДНК. Месяцем позже они создали трехмерную модель молекулы ДНК, сделанную из шариков, кусочков картона и проволоки.
Уотсон написал об открытии своему шефу Дельбрюку, а тот – Нильсу Бору: «Потрясающие вещи происходят в биологии. Мне кажется, Джим Уотсон сделал открытие, сравнимое с тем, что сделал Резерфорд в 1911 году». Стоит напомнить, что в 1911 году Резерфорд открыл атомное ядро.
Модель позволила другим исследователям отчетливо представить репликацию ДНК. Две цепи молекулы разделяются в местах водородных связей наподобие открытия застежки-молнии, после чего на каждой половине прежней молекулы ДНК происходит синтез новой. Последовательность оснований действует как матрица, или образец, для новой молекулы.
Структура ДНК, предложенная Уотсоном и Криком, отлично удовлетворяла главному критерию, выполнение которого было необходимо для молекулы, претендующей на роль хранилища наследственной информации. «Остов нашей модели в высокой степени упорядочен, и последовательность пар оснований является единственным свойством, которое может обеспечить передачу генетической информации», – писали они.
Крик и Уотсон завершили создание модели ДНК в 1953 году, а через девять лет совместно с Уилкинсом они получили Нобелевскую премию 1962 года по физиологии и медицине «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значения для передачи информации в живых системах». Уилкинс (Maurice Wilkins), - его эксперименты с дифракцией рентгеновских лучей помогли установить двуспиральную структуру ДНК. Розалинда Франклин (Rosalind Franklin, 1920–58), чей вклад в открытие структуры ДНК, по мнению многих, был очень весомым, не была удостоена Нобелевской премии, так как не дожила до этого времени.
Обобщив данные о физических и химических свойствах ДНК и проанализировав результаты М. Уилкинса и Р. Франклин по рассеянию рентгеновских лучей на кристаллах ДНК, Дж. Уотсон и Ф. Крик в 1953 г. построили модель трехмерной структуры этой молекулы. Важнейшее значение имел предложенный ими принцип комплиментарности цепей в двухцепочечной молекуле. Дж. Уотсону принадлежит гипотеза о полуконсервативном механизме репликации ДНК. В 1958-1959 гг. Дж. Уотсоном и А. Тисьером были проведены исследования бактериальных рибосом, ставшие классическими. Известны также работы ученого по изучению структуры вирусов. В 1989-1992 гг. Дж. Уотсон возглавлял международную научную программу "Геном человека".
Уотсон и Крик открыли структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) – вещества, которое содержит всю наследственную информацию.
К пятидесятым годам было известно, что ДНК – большая молекула, которая состоит из тысяч соединенных между собой в линию маленьких молекул четырех разных видов – нуклеотидов. Также ученые знали, что именно ДНК отвечает за хранение и передачу по наследству генетической информации, похожей на текст, написанный алфавитом из четырех букв. Неизвестными оставались пространственная структура этой молекулы и механизмы, по которым ДНК передается по наследству от клетки к клетке и от организма к организму.
В 1948 году Лайнус Полинг открыл пространственную структуру других макромолекул – белков и создал модель структуры, названной "альфа-спиралью".
Полинг тоже считал, что ДНК – спираль, причем, состоящая из трех нитей. Однако он не мог объяснить ни природы такой структуры, ни механизмы самоудвоения ДНК для передачи дочерним клеткам.
Открытие двуспиральной структуры произошло после того, как Морис Уилкинс (Maurice Wilkins) тайно показал Уотсону и Крику рентгеновский снимок молекулы ДНК, сделанный его сотрудницей Розалинд Франклин. На этом снимке они четко узнали признаки спирали и направились в лабораторию, чтобы проверить все на объемной модели.
В лаборатории выяснилось, что мастерская не поставила необходимые для стереомодели металлические пластины, и Уотсон вырезал из картона четыре вида макетов нуклеотидов – гуанина (G), цитозина (C), тимина (T) и аденина (A) – и стал раскладывать их на столе. И тут он обнаружил, что аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином по принципу "ключ-замок". Именно таким образом соединяются между собой две нити спирали ДНК, то есть напротив тимина из одной нити всегда будет находиться аденин из другой, и ничто иное.
Такое расположение позволило объяснить механизмы копирования ДНК: две нити спирали расходятся, и к каждой из них достраивается из нуклеотидов точная копия ее бывшей "партнерши" по спирали. По такому же принципу, как с негатива в фотографии печатают позитив.
Хоть Франклин и не поддерживала гипотезу о спиральном строении ДНК, именно ее снимки сыграли решающую роль в открытии Уотсона и Крика. До премии, которую получили Уилкинс, Уотсон и Крик, Розалинд не дожила.
Очевидно, что открытие пространственной структуры ДНК совершило революцию в мире науки и повлекло за собой целый ряд новых открытий, без которых нельзя представить не только современную науку, но и современную жизнь в целом
В шестидесятых годах прошлого века предположение Уотсона и Крика о механизме репликации (удвоения) ДНК полностью подтвердилось. Кроме того, было показано, что в этом процессе принимает участие специальный белок – ДНК-полимераза.
Примерно в то же время было совершено другое важное открытие – генетический код. Как уже говорилось выше, ДНК содержит в себе информацию обо всем, что передается по наследству, в том числе о линейной структуре каждого белка в организме. Белки, как и ДНК, представляют длинные молекулярные цепочки из аминокислот. Этих аминокислот 20. Соответственно, было неясно каким образом "язык" ДНК, состоящий из четырехбуквенного алфавита переводятся на "язык" белков, где используется 20 "букв".
Оказалось, что сочетание из трех нуклеотидов ДНК четко соответствует одной из 20 аминокислот. И, таким образом "написанное" на ДНК однозначно переводится в белок.
В семидесятых годах появились еще два важнейших метода, основанные на открытии Уотсона и Крика. Это секвенирование и получение рекомбинатной ДНК. Секвенирование позволяет "прочитать" последовательность нуклеотидов в ДНК. Именно на этом методе основана вся программа "Геном человека".
Получение рекомбинантной ДНК по другому называют молекулярным клонированием. Суть этого метода заключается в том, что в молекулу ДНК встраивают фрагмент, содержащий определенный ген. Таким образом, например получают бактерии, которые содержат ген человеческого инсулина. Инсулин, полученный таким способом, называется рекомбинатным. Этим же методом созданы все "генетически модифицированные продукты".
Как ни парадоксально, репродуктивное клонирование, о котором сейчас все говорят, появилось раньше, чем была открыта структура ДНК. Понятно, что сейчас учеными, проводящие такие эксперименты, активно используются результаты открытия Уотсона и Крика. Но, изначально, метод не базировался на нем.
Следующим важным шагом науки стала разработка в восьмидесятых годах полимеразно-цепной реакции. Эта технология используется для быстрого "размножения" нужного фрагмента ДНК и уже нашла множество применений как в науке, так в медицине и технологии. В медицине с помощью ПЦР проводят быструю и точную диагностику вирусных заболеваний. Если в массе ДНК, полученной из анализа пациента, даже в минимальном количестве есть гены, принесенные вирусом, то с помощью ПЦР можно добиться их "размножения" и после этого легко идентифицировать.
А.В. Энгстрем из Каролинского института сказал на церемонии вручения премии: «Открытие пространственной молекулярной структуры… ДНК является крайне важным, т к. намечает возможности для понимания в мельчайших деталях общих и индивидуальных особенностей всего живого». Энгстрем отметил, что «расшифровка двойной спиральной структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты со специфическим парным соединением азотистых оснований открывает фантастические возможности для разгадывания деталей контроля и передачи генетической информации».
