Білкова спадковість - нова глава генетики

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

<

>

Генетика, початок якої було покладено ще в минулому столітті дослідами Менделя, для більшості з нас до сих пір є молодою наукою. У Росії такий погляд історично виправданий: довгий час генетика в Радянському Союзі вважалася «буржуазною лженаукою». Можливо, саме драматизм історії генетики в нашій країні обумовлює неминущий інтерес до неї. На пам'яті старшого покоління - розгул лисенківщини. Закривалися лабораторії, видатні дослідники виявлялися в таборах. Загинув у в'язниці наш видатний учений, генетик зі світовим ім'ям Н. І. Вавилов. А в цей час в Європі і США нова наука стрімко розвивалася. Західні вчені робили приголомшливі відкриття у вивченні механізму спадковості. І хоча наука не має національності і по суті своїй повинна бути загальнолюдської, все ж прикро, що в історії генетики останніх десятиліть зустрічається так мало російських імен.
Сьогодні вітчизняна наука знову переживає не найкращі часи. Заборонених теорій тепер, правда, немає, але і займатися дослідженнями стає все складніше: немає грошей, немає необхідного обладнання. Майже всі відкриття здійснюються в співавторстві з зарубіжними вченими, які надають свої лабораторії нашим дослідникам. Наздогнати Заходом вітчизняним ученим майже неможливо: навіть за кількістю дослідних центрів ми сильно поступаємося Європі і Америці. А адже в історії залишається той, хто зробив відкриття першим.
І все ж російським вченим вдається йти в ногу зі своїми іноземними колегами, а іноді і випереджати їх. Доказом може служити історія того, як була відкрита особлива форма спадковості - прорив, який став новим словом в фундаментальної генетики.
пріонів білка
Як і багато інших серйозні відкриття, виявлення білкової спадковості було підготовлено кількома різноспрямованими серіями досліджень. Цікаво, що жоден з колективів вчених, спільними зусиллями яких було зроблено відкриття, спочатку не ставив за мету вивчати механізм спадковості.
Мабуть, почати варто з досліджень американського біохіміка Стенлі Прузінер. Саме він виявив новий тип інфекції - пріонних, за що отримав Нобелівську премію з фізіології і медицині в 1997 році. Ймовірно, читачі пам'ятають скандал, що вибухнув навколо епідемії коров'ячого сказу в Англії. Білкові збудники цієї хвороби (а також деяких інших смертельних хвороб людини і тварин - хвороби Крейтцфельда-Якоба у людини, скрейпі у овець), що вражають нервову систему, мозок, і були названі пріонами.
Стенлі Прузінер виявив, що абсолютно однакові за хімічним складом пріонні білки можуть перебувати в двох різних просторових формах. Різниця між такими білками частково нагадує різницю між сирим і вареним білком звичайного курячого яйця. Якщо білок знаходиться в «нормальної» формі, він добре розчиняється і виконує в організмі властиву йому функцію. Навпаки, білок, що знаходиться в «аномальною» просторової формі, утворює нерозчинні агрегати, злипається. Але найважливішим - і унікальним - властивістю пріонів є наступне: білок, що знаходиться в «аномальною» формі, зіткнувшись з «нормальним» білком, переводить його в свою, «аномальну», форму. Це і є суттю пріонів типу інфекції: «хворий» білок заражає «здоровий», який починає злипатися і, накопичуючись, заповнює клітини мозку, перешкоджаючи їх роботі. Причини початкової появи в організмі білка в «аномальною» формі поки не встановлені. Обидві форми білка кодуються одним геном, тому цілком ймовірно, що на освіту «аномальної» форми можуть впливати зовнішні впливи (наприклад, є гіпотеза, що до появи «аномального» приона в організмі може привести висока температура, перенесена людиною).
ДРОЖЖИ: ВІД пріонних інфекцій До БІЛКОВОЇ спадковості
В оповіданні про відкриття білкової спадковості доведеться зробити невеличкий відступ, вірніше, почати розповідь заново, вже під іншим кутом. Можливо, це здасться нелогічним, але ж саме так рухається наука: кожен вчений йде своїм шляхом, кожне відкриття включає працю багатьох дослідників.
Виявлення пріонів типу інфекції стало першим кроком до відкриття нового типу передачі спадкової інформації.
Другий напрямок, що підготувало його, було пов'язано з дріжджами. Дріжджі - один з найбільш зручних об'єктів молекулярної генетики та молекулярної біології. По-перше, це пов'язано з тим, що популяція дріжджів включає величезну кількість одноклітинних мікроорганізмів, тому можна реєструвати дуже рідкісні явища, що відбуваються в одному випадку з мільйонів. По-друге, дріжджі добре вивчені: відомі структури всіх генів дріжджів. По-третє, дріжджі в генетичному плані влаштовані практично так само, як людина.
Майже всі білки, які є у людини, є і у дріжджів, більш того, часто ці білки взаємозамінні. І, нарешті, дріжджі швидко розмножуються, тому досліди не вимагають тривалого часу. Один із засновників школи генетики дріжджів в колишньому Радянському Союзі - Сергію Георгійовичу Інге-Вечтомов. Зараз в Росії дріжджами займаються кілька груп вчених, серед них - лабораторія його учня, професора Михайла Давидовича Тер-Аванесян в московському Кардіологічному науковому центрі.
Ще в 1964 році С. Г. Інге-Вечтомов виявив у дріжджів ген SUP35. Приблизно в цей же час британський дослідник Брайан Кокс знайшов у дріжджів успадковані ознака, що володіє рядом унікальних властивостей, важко з'ясовних з точки зору звичайних уявлень про генетичні явища. Пізніше в лабораторії Інге-Вечтомова були отримані дані про те, що існування цієї ознаки залежить від гена SUP35. Одночасно з дослідженнями Інге-Вечтомова такі ж результати були отримані в лабораторіях Тер-Аванесян і Кокса. Всі дані свідчили про те, що білок Sup35 може якимось чином відповідати за прояв і успадкування цієї ознаки, причому це його властивість не пов'язане з мутаціями (структурними змінами) в гені SUP35.
Виявлене явище залишалося незрозумілим до останнього часу, коли широкий інтерес до пріонів навів дослідників на думку про схожість білка Sup35 з пріонами ссавців. Така схожість передбачало, що білок Sup35 може мати різну просторову укладання, причому, перебуваючи в пріонів ( «аномальної») формі, білок може «наводити» таку форму на молекули цього ж білка, що знаходяться в «нормальному» стані. Таку аналогію провів американський вчений Рід Вікнер, висунувши гіпотезу, що дріжджі можуть синтезувати білки, що проявляють пріонні властивості. Правда, Прузінер стосовно пріонами говорив про «інфекції», але ж ніхто не спостерігав передачі речовини від однієї клітини до іншої через міжклітинний простір (а саме в цьому полягає суть інфекції). Вікнер припустив, що і в тому, і в іншому випадку ми маємо справу з одним і тим же явищем, а саме з прямою передачею інформації від білка до білка.
Щоб оцінити сміливість гіпотези, треба згадати: вся сучасна генетика грунтується на тому, що спадкова інформація передається через молекули ДНК, які можуть подвоюватися і передаватися потомству. Білки ж синтезуються на основі інформації, закладеної в ДНК. Ланцюжок передачі інформації виглядає так: ДНК®РНК-> білок. Свого часу сенсацією стало відкриття так званої «зворотного зв'язку»: виявилося, що інформація може передаватися з РНК в ДНК. Але те, що інформація, передана у спадок, не може бути закладена в білках, ніколи не піддавалося сумніву (якщо не брати до уваги теорії Лисенко, наукові погляди якого, за оцінками сучасних учених, були близькі середньовічним). Тепер же виходило, що ознака може успадковуватися без участі ДНК.
За дослідження пріоноподобних властивостей дріжджових білків взялися дві лабораторії: група американських вчених на чолі з професором Сьюзен Линдквист і лабораторія М. Д. Тер-Аванесян. Пізніше до них приєдналися і інші. У американців було найкраще обладнання, крім того, вони використовували в своїй роботі матеріали, отримані нашими вченими. Але в даному випадку зіграло роль те, що у наших генетиків були великі напрацювання по цій темі.
Стаття М. Д. Тер-Аванесян і його співробітників з'явилася в липні 1996 року в журналі Європейської організації молекулярної біології (EMBO Journal). У ній було показано, що білок Sup35 може утворювати агрегати, подібні до тих, які створюють пріони в «аномальною» формі. Уже в наступному місяці аналогічні результати, отримані лабораторією Линдквист, були опубліковані в журналі «Science». Тепер потрібно було довести, що інформація про просторової формі передається безпосередньо від білка до білка.
І ось в 1997 році група Тер-Аванесян знайшла такий доказ. Досвід був поставлений в середовищі без ДНК. До Sup35 додавали деякий кількість білка, що знаходиться в «аномальною» просторової формі. Через деякий час весь білок опинявся в «аномальною» конформації. Цей білок знову додавали до «нормального», і він знову перекладав його в «аномальну» форму. Так повторювалося багато разів, поки частка вихідного «аномального» білка не опинилася абсолютно нікчемною, так що стало ясно: «аномальний» білок, утворений з «нормального», здатний передавати свою просторову форму іншому, «нормальному», білку. Отже, було відкрито новий механізм передачі спадкової інформації - білкова спадковість.
Sup35. ІСТОРІЯ ВИВЧЕННЯ
Як не дивно, білок Sup35, на якому була відкрита білкова спадковість, був для генетиків чимось на зразок «білої плями» в науці. Вчені нічого не могли сказати про його функціях: навіщо він потрібен в організмі? Але, ймовірно, це був якраз той випадок, коли, як кажуть, «ідея носилася в повітрі». І ось, в той час як генетики займалися Sup35 з точки зору його пріоноподобних властивостей, молекулярні біологи несподівано прийшли до розгадки його функцій.
Коли дев'ять років тому почалася ця історія, ніхто з дослідників не міг припустити, що їхня робота приведе саме до виявлення функцій білка Sup35. У той час Лев Львович Кисельов і його колеги з Інституту молекулярної біології Російської академії наук займалися біосинтезу білків. У 1990 році відомий американський вчений Т. Каски опублікував статтю, в якій описав білок, який бере участь, на його думку, в закінченні процесу синтезу складного речовини, що складається з декількох амінокислот, - поліпептидного ланцюга. Однак цей білок був практично тотожний тому, структуру якого розшифрували наші вчені, але який, згідно з нашими даними, брав участь не в закінченні, а на початку зазначеного процесу. Чи не є це протиріччя здоровому глузду: два дуже схожих білка не можуть виконувати абсолютно різні функції. Напрошувався висновок: Каски помилився, його білок не закінчував синтез, а брав участь в його початку. У 1993 році Л. Л. Кисельов і його колеги спростовують роботу Каски, і вже в наступному році сам Каски підтверджує, що його висновки були помилкові.
Який же білок в такому випадку завершує синтез? Тепер його пошуками зайнялися вже російські вчені. І ось в 1994 році (як раз в той час, коли Рід Вікнер висунув гіпотезу про пріоноподобних властивості Sup35) наші дослідники опублікували в журналі «Nature» структуру такого білка. Його назвали eRF1. Цей білок виявився вельми консервативним за структурою: у людини, жаби і дріжджів його амінокислотна послідовність дуже схожа (дріжджовий білок має своє ім'я - Sup45). Як тільки це з'ясувалося, стало очевидно, що іншого дріжджовий білок, про який вже йшла мова, -Sup35 (дріжджовий прион) теж може бути залучений на завершення синтезу поліпептидного ланцюга. Дійсно, роком пізніше (в 1995 році) групи Кисельова і Інге-Вечтомова спільно з групою М. Філіпа з Реннській університету (Франція) відкрили нову групу білків, які отримали назву eRF3. Серед них був і білок Sup35. Стало ясно, що Sup35 - один з двох білків, що визначають закінчення білкового синтезу у клітинних організмів. Трохи пізніше група Кисельова довела, що білки eRF3 / Sup35 мають ферментативну активність: розщеплюють одне з ключових сполук клітини - гуазінтріфосфат (ГТФ). Відкриття ферментативної активності дріжджового пріона Sup35 має велике значення, так як дозволяє використовувати біохімічні методи для аналізу поранених перетворень, що раніше було неможливо.
БІЛКОВА Спадковий: ЗНАЧЕННЯ ВІДКРИТТЯ
Отже, на прикладі дріжджового білка відкрито новий принцип спадкової передачі ознак. «Білкова спадковість» - так назвали вчені властивість пріоноподобних білків передавати інформацію про свою просторової формі без участі ДНК. Наскільки широко поширене це явище? Пріоноподобние білки вже виявлені у деяких грибів, можливо, незабаром вони будуть знайдені і в інших організмів. Дослідження на цю тему ведуться зараз дуже інтенсивно. Поки навіть самі вчені остерігаються робити прогнози.
«Важливо, що тут ми маємо справу з передачею інформації іншого типу в порівнянні з тією, що передається через гени, а саме з передачею структурної, тривимірної інформації, - говорить М. Д. Тер-Аванесян. - Це абсолютно новий принцип, і це надзвичайно важливо для науки ». Є теорія, що пріоноподобние білки беруть участь у формуванні довготривалої пам'яті людини. Якщо це дійсно так, то білкова спадковість, можливо, пов'язана з найважливішою функцією мозку.
Зрозуміло, відкриття білкової спадковості ні в якій мірі не означає перегляду теорії передачі спадкової інформації через нуклеїнові кислоти. Це - доповнення до неї, нова глава класичної генетики. Однак не виключено, що багато явищ будуть переосмислені. Наука «пройшла повз» пріоноподобних білків. Вчені не виключають, що таких білків багато, і в такому випадку білковий механізм спадковості може мати важливе значення в житті багатьох організмів.