Загадка + загадка = решение проблемы?

Одинаковы ли гены? Равноценны ли они по своей работе? Вот та мысль, над которой начали все чаще задумываться Жакоб и Моно. Вероятно, предположили они, гены не одинаковы: одни дают информацию о синтезе ферментов и порядке аминокислот в них, а вторые выполняют роль надсмотрщиков над первыми. Значит, надо разделить все гены в хромосомах на две группы: на гены, передающие информацию, их назвали структурными генами; и гены, регулирующие работу структурных генов, их назвали регуляторными генами. Исследователи предположили, что гены регуляторной системы, в свою очередь, делятся на гены-регуляторы и гены-операторы.

Понять их желание — поделить регуляторные гены на две разновидности — не трудно. Представьте себе, что вам нужно что-нибудь включить, ну хотя бы свет в комнате. Одной электрической лампочки мало — надо, чтобы был выключатель. Но и выключатель сам по себе не заработает — его следует повернуть. Значит, если структурные гены — это лампочка, ген-оператор — выключатель, то непременно должен быть еще один элемент, воздействующий на выключатель и изменяющий его состояние. Теперь подставьте на место выключателя ген-оператор, на место управляющего выключателем ген-регулятор, и вы получите схему Жакоба и Моно. Чтобы еще более приблизиться к этой схеме, скажем, что ученые предложили считать ген-регулятор ответственным за синтез вещества, названного ими репрессором. Теперь механизм работы всех генов предстал в таком виде. Ген-репрессор штампует молекулу репрессора. Это первая стадия. На второй стадии репрессор перемещается к гену-оператору и, подобно ключу от замка, может или запереть, или отпереть ген-оператор. В зависимости от этого запустится в ход или остановится «машина» структурных генов. Есть еще третий этап: репрессор может соединяться с рядом веществ (их ученые назвали индукторами), в том числе и с синтезируемыми ферментами. Если репрессор соединится с индуктором, то он потеряет свою активность и не сможет уже взаимодействовать с оператором.

Клетку можно представить себе как гигантский комбинат, где производятся самые разные белки. На комбинате множество узкоспециализированных цехов, занимающихся выпуском своей продукции. Один из них — наш лактозный цех по производству двух ферментов. Если раньше считалось, что достаточно иметь только два агрегата (два структурных гена: по одному на каждый фермент) и все будет в порядке, то теперь, по предложению Жакоба и Моно, работа цеха должна была выглядеть следующим образом.

Вот ген-регулятор штампует молекулу репрессора. Репрессор подходит ко второму агрегату, гену-оператору, и, соединившись с ним, замыкает его. Оператор выключается, но вместе с ним выключаются и все структурные гены. Информация от них перестает поступать в клетку, и выработка ферментов приостанавливается. Цех встал. Но вот в комбинате потребовались новые партии фермента: поступила продукция и ее надо обработать (лактоза, которую следует подтащить и разрезать). На территорию нашего цеха посылается индуктор. Его задача — дать команду: «включить лактозный цех». Индуктор «выхватывает» репрессор, оператор освобождается от контроля репрессора, включаются и снова начинают работать установки, изготавливающие ферменты. До тех пор пока они нужны комбинату, в лактозный цех будут вновь и вновь поступать индукторы, связывающие молекулы репрессоров. И лишь когда потребность в лактозных ферментах исчезнет, репрессор снова замкнет оператор и цех перестанет работать.

Регуляция активности генов с помощью гена-регулятора, гена-оператора и регуляторных метаболитов.

Такова была рабочая гипотеза двух французских исследователей. Она объясняла многие загадочные процессы. Теперь надлежало доказать, что это не гипотеза, а настоящая теория, построенная на прочном фундаменте фактов.

Наверное, многим из тех, кто читал работы этих ученых, они напоминали методы доказательства математических теорем. Жакоб и Моно разбирали все следствия, вытекающие из их предположений, и пунктуально, одно за одним, проверяли, соответствуют ли они теории или нет. Четкая постановка задачи (а согласитесь, в предложенном ими механизме все винтики были на своих местах и каждое колесико играло вполне определенную роль) позволяла математически точно предсказать, что будет, если повредить ген-оператор, или ген-регулятор, или оба сразу.

Можно было предвидеть несколько типов изменений для каждого из генов. Если бы поломался ген-регулятор, то образование репрессора прекратилось бы навсегда, клетка стала бы осуществлять нерегулируемый синтез ферментов. Могла измениться форма репрессора, и тогда он переставал бы подходить к своему замку — гену-оператору. Опять наступил бы нерегулируемый синтез. Мог поломаться ген-оператор, и опять нарушился бы синтез ферментов... В общем, каждое такое последствие было предсказано, а затем изучено. Ученые не один раз оказывались в трудных положениях, которые задавала им клетка, но все-таки вышли победителями они, а не клетка.

Применив разнообразные генетические методы, Жакоб и Моно доказали правильность основных представлений.

Действительно, гены оказались разделенными на два класса. Гены регуляторной системы тоже делились на два класса. Оказалось, что ген-оператор находится на хромосоме в непосредственной близости от управляемых им структурных генов, в то время как ген-регулятор иногда располагался далеко в стороне, но это не мешало ему направлять своих гонцов куда следует. И они всегда находили своих адресатов и диктовали им свои условия.