Есть ли у природы язык?

Чем дальше углубляются ученые в тайны строения ДНК, тем больше проблем получают свое разрешение. Теперь исследователи заняты поисками ответа на вопрос: со скольких нитей ДНК, с одной или с двух сразу, читается генетическая информация?

Информационная РНК является однонитчатой молекулой. Размышляя над тем, как на двунитчатой ДНК может синтезироваться однонитчатая И-РНК, ученые пришли к следующему предположению. Раз обе нити ДНК могут строить себе копию при размножении, то почему бы им не строить точно так же И-РНК? Вначале то, что оба процесса идут именно так, не вызывало сомнений, но когда разобрались тщательнее, безмятежная ясность исчезла. Судите сами. Мы все время исходили из полной равноправности нитей. А так ли это? Допустим, что, записав на одной нити на языке оснований следующую фразу: АТГТААЦЦАГТЦА, мы записали какой-нибудь признак (например, цвет волос). Но на второй нити будет записано не то же самое, а ТАЦАТТГГТЦАГТ, потому что основания на одной нити точно задают основания другой. Правило гласит: аденин соединится с тимином, и только с тимином, гуанин с цитозином, и только с цитозином. Поэтому, читая фразу в одной нити, мы получим один набор аминокислот (помните, каждой тройке нуклеотидов соответствует строго определенная аминокислота), читая вторую нить — совсем другое. Следовательно, первая тройка верхней нити даст нам аспарагин, соответствующая ей тройка в нижней нити — глутаминовую кислоту. Биохимикам известно, что каждая из нитей читается в противоположном направлении. Поэтому то, что образуется на первой нити, будет иметь совсем другой смысл, чем то, что образуется на второй. Вернее, одна даст осмысленную фразу, другая — как бы ее зеркальное отражение.

Ну, а в клетке читаются ли обе нити — и смысловая и бессмысленная? И если да, то зачем нужна бессмысленная?

Предположений было высказано много. Пытались даже устранить противоречия логическими построениями вроде следующих: «Зачем клетке читать бессмысленную нить? Просто бессмысленная нить нужна для структурных целей, она удерживает первую нить от разрывов».

Когда Синсхеймер изучал нуклеиновую кислоту фага φX174, он обнаружил, что этот фаг содержит однонитчатую ДНК. Сначала такое сообщение вызвало много недоуменных вопросов, но затем удалось найти еще несколько фагов, у которых вместо двунитевой молекула ДНК была однонитевой. После этого ответ на вопрос: «Сколько же нитей ДНК необходимо для ее работы» — напрашивался сам собой: нужна только одна нить. Обходятся же фаги одной нитью. Однако очень скоро Синсхеймер обнаружил, что однонитевая ДНК фага, входя в клетку, прежде чем начать размножаться, превращается в так называемую репликативную форму, иначе говоря, достраивает себе вторую нить, и лишь после этого начинается размножение ДНК этого фага.

Почти одновременно с этим открытием американский биохимик П. Берг провел синтез РНК в пробирке и засвидетельствовал: да, обе нити ДНК участвуют в образовании И-РНК. Вроде бы все встало на свои места. Но не прошло и года, как новые эксперименты опровергли это заключение. Процессы внутри клетки идут совсем не так, как в пробирке. Чтобы узнать, что происходит в клетке, ученые снова обратились к модели фага фикса. Ведь у зрелого фага только одна нить ДНК. А в клетке, зараженной этой одной нитью, образуются двойные нити ДНК — их репликативные формы. Если суметь выделить из клетки репликативные формы этого фага и отдельно его информационные РНК, затем «приложить» И-РНК к ДНК, то, наверное, все определится? В случае родства молекула И-РНК совпадет либо с одной из нитей, либо с обеими нитями ДНК, как совпадают два куска разрезанного листа бумаги при их соединении. К этому времени был разработан метод так называемой гибридизации нуклеиновых кислот. Две нити, родственные друг другу, цеплялись водородными связями и образовывали двухнитевую структуру. Если же нити были чужими, против А, Т, Г и Ц одной нити располагались не Т, А, Ц, Г, а другие основания, и двойной структуры не возникало.

В лаборатории С. Шпигельмана начали изучать синтезы информационной РНК в клетках, зараженных фагом, затем вынимали эту И-РНК и пытались сцепить ее с однонитчатой и двунитчатой ДНК. Были проделаны тончайшие эксперименты. И в результате оказалось, что фаговая И-РНК похожа только на одну из ниток репликативной формы, причем совсем не на ту, которая пришла из частицы фага, заразившей клетку. События в клетке развивались следующим образом: в клетку входила одна нить ДНК фага, достраивала себе зеркальную половину, а с нее печаталась молекула И-РНК, которая шла в рибосомы, там на ней синтезировались белки оболочки фага φX174. К этому времени синтезировалось много копий ДНК, и половина однонитчатых ДНК одевалась белком, формируя зрелые частицы фага. Они выходили наружу, чтобы начать все сначала.

Опыты Шпигельмана доказали, что в клетке активной является только одна нить ДНК, другая инертна. Значит, действительно в клетке происходит одно, а в пробирке другое? Тогда в чем же разница? М. Хайаши и С. Шпигельман выяснили, что все дело в форме ДНК. В опытах Берга были взяты не кольцевые, а разорванные молекулы ДНК, и синтез И-РНК шел с обеих нитей, а в опытах Шпигельмана участвовали неповрежденные кольцевые молекулы, и клетка получала копии только с одной нити. Правда, американский исследователь Е. Гейдушек и его сотрудники показали, что основную роль играет не разорванность кольца, а величина изогнутости молекулы ДНК. Однако доказательство Шпигельмана и Хайаши, что характер синтезов копий ДНК зависит не только от последовательности оснований в молекуле, но и от формы молекулы, оказалось очень важным. И наконец, интересные факты о роли структуры ДНК в синтезе РНК были получены в лаборатории советского ученого Р. Б. Хесина. До тех пор пока ДНК была целой, РНК синтезировалась лишь на одной нити. Но стоило порвать ДНК больше чем на сто кусков, как в каждом куске начали читаться обе нити.

* * *

«В общем и целом все чувствуют, что наступает конец определенной эры в развитии молекулярной биологии. Если открытие структуры ДНК ознаменовало конец начала этой эры, то открытие Ниренберга и Маттеи положило начало ее концу. Теперь нам придется приступить к изучению самых запутанных вопросов цитологии. Самая первоочередная задача — это проблема генетического контроля. Чем определяется, будет ли действовать данный ген или нет?» Так закончил свою статью Фрэнсис Крик. Понять, как клетка управляет сама собой, как заставляет она включиться одни гены и прекратить работу других, необычайно важно. Шестидесятые годы оказались урожайными и для этих исследований. Были открыты новые гены, о существовании которых не подозревали раньше, — гены регулярной системы.