Вход на сайт

МЕДИАМЕТРИКА

Облако тегов

28 февраля 1953 года открыта двойная спираль ДНК.

Аватар пользователя PIPL

Этот день в истории:

В субботу 28 февраля 1953 г. двое молодых ученых, Дж.Уотсон и Ф.Крик, в небольшой закусочной Eagleв 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.

Ф.Крик и Дж.Уотсон

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.

М.Дельбрюк

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.

G-квадруплекс ДНК

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.

Пропеллерная структура ДНК

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,
Ф.Г.К. Крик,
отдел по изучению молекулярной структуры биологических систем Совета по медицинским исследованиям, Кавендишская лаборатория, Кембридж. 25 апреля, 1953 г.Молекулярная структура нуклеиновых кислот

Мы хотим предложить модель структуры соли дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Эта структура обладает новыми свойствами, представляющими интерес для биологии.
Структура нуклеиновой кислоты уже предложена Полингом и Кори. Они любезно позволили нам ознакомиться с рукописью их статьи до публикации. Их модель состоит из трех переплетенных цепей с фосфатами, расположенными вблизи оси спирали, и азотистыми основаниями на периферии. По нашему мнению, такая структура неудовлетворительна по двум причинам. Во-первых, мы считаем, что исследуемый материал, дающий рефлексы рентгеновских лучей, является солью, а не свободной кислотой. Без кислотных атомов водорода неясно, какие силы могут поддерживать целостность такой структуры, особенно с учетом того, что отрицательно заряженные фосфатные группы вблизи ее оси будут взаимно отталкиваться. Во-вторых, некоторые из ван-дер-ваальсовых расстояний оказываются слишком малыми.
Еще одна трехцепочечная структура предложена Фрейзером (в печати). В его модели фосфаты находятся снаружи, а азотистые основания, соединенные между собой водородными связями, – внутри спирали. В статье эта структура определена очень плохо и по этой причине мы не станем ее комментировать.
Мы хотим предложить радикально отличающуюся от этих структуру соли дезоксирибонуклеиновой кислоты. Эта структура состоит из двух спиральных цепей, завитых вокруг общей оси. Мы исходили из обычных предположений, а именно, что каждая цепь образована остатками b-D-дезоксирибофуранозными остатками, соединенными 3',5'-связями. Эти цепи (но не их основания) соединены связями (диадами), перпендикулярными к оси спирали. Обе цепи образуют правую спираль, но, благодаря диадам, имеют противоположные направления. Каждая цепь слегка напоминает модель № 1 Ферберга тем, что основания расположены внутри спирали, а фосфаты снаружи. Конфигурация сахара и атомов вблизи него близка к «стандартной конфигурации» Ферберга, в которой сахар расположен приблизительно перпендикулярно к связанному с ним основанию. Остатки на каждой цепи расположены с шагом 3,4 А по направлению z. Мы предположили, что угол между соседними остатками составляет 36 о, так что эта структура повторяется через каждые 10 остатков, т.е. через 34 А. Расстояние от оси до атома фосфора составляет 10 А. Поскольку фосфаты расположены снаружи, они легко доступны для катионов. 
Вся структура открыта и содержит довольно много воды. При уменьшении содержания воды можно ожидать, что основания несколько наклонятся, и вся структура станет более компактной.
Новым свойством структуры является способ, которым цепи удерживаются друг возле друга за счет пуриновых и пиримидиновых оснований. Плоскости оснований перпендикулярны оси спирали. Они попарно соединены между собой, причем одно основание на первой цепи соединено водородной связью с одним основанием на второй цепи таким образом, что эти основания расположены бок о бок друг с другом и имеют одну и ту же z-координату. Для того, чтобы образовалась связь, одно основание должно быть пуриновым, а другое пиримидиновым. Водородные связи образуются между позицией 1 пурина и позицией 1 пиримидина и между позицией 6 пурина и позицией 6 пиримидина. 
Предполагается, что основания входят в эту структуру только в наиболее вероятной таутомерной форме (т.е. в кето-, а не в энольной форме). Обнаружено, что только специфические пары оснований могут образовывать связи друг с другом. Эти пары таковы: аденин (пурин) – тимин (пиримидин) и гуанин (пурин) – цитозин (пиримидин). 
Другими словами, если аденин является одним из членов пары на любой цепи, то в соответствии с этим предположением другим членом пары должен быть тимин. То же относится к гуанину и цитозину. Последовательность оснований на одной цепи, по-видимому, ничем не ограничена. Однако, поскольку могут образовываться только определенные пары оснований, то при заданной последовательности оснований одной цепи последовательность оснований другой цепи определяется автоматически. 
Экспериментально обнаружено, что в ДНК отношения количества аденинов к количеству тиминов и количества гуанинов к количеству цитозинов всегда близко к единице. 
Вероятно, невозможно построить такую структуру с рибозой вместо дезоксирибозы, т.к. дополнительный атом кислорода делает ван-дер-ваальсово расстояние слишком малым. 
Опубликованные до настоящего времени рентгеноструктурные данные по дезоксирибонуклеиновой кислоте недостаточны для строгой проверки нашей модели. Насколько мы можем судить, она приблизительно соответствует экспериментальным данным, но ее нельзя считать доказанной, пока не будет проведено ее сопоставление с более точными экспериментальными данными. Некоторые из них приведены в следующей статье. Нам не были известны детали представленных в ней результатов, когда мы придумывали нашу структуру, которая основывается главным образом, хотя и не только, на опубликованных экспериментальных данных и стереохимических соображениях. 
Следует заметить, что из постулированного нами специфического образования пар сразу же следует возможный механизм копирования генетического материала. 
Все детали структуры, включая условия, необходимые для ее построения, и наборы координат атомов будут приведены в последующих публикациях. 
Мы очень признательны д-ру Джерри Донахью за постоянные советы и критику, особенно относительно межатомных расстояний. Нас также стимулировало общее представление о неопубликованных экспериментальных данных и идеях д-ра М.Г.Ф. Вилкинса и д-ра Р.Э. Франклин и их сотрудников в Кингс-колледже в Лондоне. Один из нас (Дж.Д.У.) получал стипендию Национального фонда детского паралича.

 

 


* 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.

http://bio.1september.ru/article.php?ID=200302003


Фонд поддержки авторов AfterShock

Лидеры обсуждений

за 4 часаза суткиза неделю

Лидеры просмотров

за неделюза месяцза год

СМИ

Загрузка...