Елдышев Ю.Н. (сост.) Современная биотехнология. Мифы и реальность

Подождите немного. Документ загружается.

другому ферменту). При таком подходе

юном выглядит раскрытой книгой, так

ч го остается лишь улучить момент, чтобы

nti прочесть.

Увы, в действительности все сложнее.

Книга не только закрыта, но и

ошгамбиро-»|» на, да еще и упакована

весьма изобрета-ишьно. Более того,

изложенная в ней история не сводится к

тексту на ее страницах — приходится

читать между строк.

Дело в том, что во всех процессах с учас-

1ием ДНК информация передается одно-

иременно нескольким объектам, весьма

разнящимся по масштабам. Впрочем, те,

к го не готов углубляться в подобные слож-

ности, могут пока довольствоваться кар-

i инкой из школьного учебника, где все эти

объекты считаются безграничными. До не-

днвнего времени даже в вузовских учебни-

ках их вынужденно описывали без учета

различий в масштабах и поверхностных

эффектов. Ученые имели представление

«• молекулах, клетках и клеточных «орга-

нах» (органеллах, органоидах), но о том,

ч го находится между ними, не знали почти ничего. Немудрено, что

общая картина выглядела расплывчатой и загадочной.

В последние годы внимание общественности все чаще привле-

кают сравнительно новые науки — молекулярная биология и кле-

iочная биология, но никто не задумывается о том, что наряду

с ними должна бы развиваться и мезобиология, изучающая содер-

жимое клетки между уже знакомыми

нам объектами. А нужно-то

для этого разрешение микроскопа всего-навсего 10

м (характер-

ный масштаб мезомира) — далеко не рекордное по нынешним вре-

менам. Каковы детали ДНК в таких масштабах — вот, пожалуй,

«лавный вопрос, не ответив на который, не достичь исчерпываю-

щего понимания механизмов самовоспроизведения и передачи ин-

формации в клетке на уровне спаривания оснований. Пока же

наши представления на этот счет остаются фрагментарными.

Эффекты мезомира могут оказаться крепким орешком, ко-

иарным препятствием на пути познания. В такой окрестности

любого атома уже слишком много соседей, чтобы доверять ре-

нультатам молекулярной механики, основанной на учете лишь

Образец упаковки молекуляр-

ных структур в клетке

парных взаимодействий. В результате привычные подходы м

няются и подчас оказываются несостоятельными: изучаемы

объекты приобретают зернистую структуру, т. е. не удовлетво

ряют фундаментальному требованию естествознания, глася

щему, что для приближенного описания объект можно считат:

непрерывным и однородным. Пока же из последних данных ис

следования структуры ДНК в таких (промежуточных) масшта

бах следует лишь, что она изгибается и скручивается, как элас

тичный стержень, одновременно испытывающий механически!

нагрузки и молекулярные взаимодействия.

Одним из эффектов такого рода выглядит недавно обнаружен

ная в ДНК бактерий сверхспирализация — аномальное скручива

ние спирали, при котором ее витки похожи на лист Мёбиуса

Оценки необходимых затрат энергии показывают, что излишни!

(или недостающий) виток спирали на каждые 200 пар основание

«стоит» примерно 9 ккал/моль, так что возможны заметные фи

зиологические проявления — скажем, сверхспирализация остано

вит рост бактерий.

Хотя более близкие нам молекулы ДНК, локализованные в хро

мосомах эукариот, имеют свободные концы, они тоже подвержен

сверхспирализации, ибо, как правило, их сравнительно крупны

витки прикрепляются к нитевидным структурам так называемо

ядерной матрицы, выстилающей внутреннюю поверхность ядер

ной оболочки. Без этого крепления, похоже, невозможны перенос

воспроизводство информации в клетке.

Главный секрет — упаковка

Если 3 млрд пар нуклеотидов, входящих в состав генома человека

упаковать «по правилам» в одной двойной спирали, она протянете

на 1,8 м. Между тем эта полоса, разрезанная на 46 хромосом, «втис-

кивается» в клеточное ядро поперечником несколько нанометров

(напомню: 1 нм = 10~

м). Конечно, в такой тесноте молекулам из-

рядно достается, и они слабо напоминают идеальную картинку,

изображающую молекулу в безбрежном море растворителя. Плот-

ность такой упаковки составляет около 100 мг/мл, что сопоставимо

с плотностью высокопористого полимерного геля.

Таким образом, упаковочный коэффициент для цепочек ДНК

оказывается огромным. В самой маленькой хромосоме человека

(ее размер около 2 мкм) длина молекулы ДНК составляет 14 мм,

т. е. коэффициент равен 7000. Дело в том, что цепочки ДНК намо-

таны на ядра белков, имеющие форму дисков, причем цепочки

плотно прижаты к дискам в тех точках, где намотка начинается и

завершается. Каждая такая структура (нуклеосома) высотой 6 нм и

диаметром 11 нм содержит около 200 пар нуклеотидов, распреде-

ленных в двойной обмотке. Промежутки же между нуклеосомами,

где ДНК предстает в «свободной» форме, очень малы (от 8 до не-

скольких десятков пар оснований). Дисковидные структуры соеди-

нены между собой так, что формируют нить толщиной около 10 нм,

напоминающую четки или связки, в которых зимой хранят лук.

Нить также складывается несколько раз, образуя волокно толщи-

ной 30 нм. Эти волокна — основа хроматина, полную структуру ко-

торого мы не знаем до сих пор. Многочисленные гипотезы о том,

что упаковка нуклеосом в хроматине напоминает соленоид, под-

твердить пока не удалось. Так что, по «гамбургскому счету», как

«уложена» ДНК в клетке, до конца неясно.

Впрочем, кое-что все-таки известно. Например, упомянутые во-

локна, в свою очередь, складываются и сжимаются, так что в хро-

мосомах между делениями клетки упаковочный коэффициент бли-

зок к 1000, а в Х-хромосоме при делении клетки еще в 10 раз выше.

За счет чего достигаются такие фантастические уплотнения,

остается загадкой. Прежде считалось, что необходимую прочность

обеспечивают смежные каркасы белков, воспринимающие как

единое целое столь значительное усилие, но последние результаты

скорее свидетельствуют о том, что структурная целостность хромо-

сом — заслуга поперечных связей в хроматине.

У белков же в клетке, похоже, более сложные задачи. Увы, и

пдесь многое неясно. По одной из гипотез, именно белки делают

ДНК одновременно и «свободной», и «связанной», хотя эти поня-

тия не передают подлинных особенностей ее поведения, любые

описания которых наталкиваются на серьезные терминологичес-

кие трудности, ибо выразить словами то, что происходит с молеку-

лами в клетке, при всем богатстве языка подчас не удается. Допод-

линно известно пока лишь то, чтоГ изменение формы хроматина

имеет решающее значение для транскрипции — клетки, утратив-

шие эту способность, попросту нежизнеспособны.

Различают два типа этих внутриядерных комплексов. Более рас-

пространенный эухроматин имеет меньшую плотность упаковки

и напоминает полимерный гель. В гетерохроматине уплотнение

больше — он выглядит, как редкие плотные вкрапления в хромосо-

мах. Специалисты склоняются к тому, что эухроматин содержит «ак-

тивные» участки ДНК (гены), относительно невысокая плотность

упаковки которых позволяет им контролировать транскрипцию, а ге-

терохроматин «сжат» подобно огромному массиву хранимой, но не

востребованной пока информации.

2 — 4248 17

Увы, и эта схема не может считаться надежно подтвержденной

в эксперименте. По мнению некоторых исследователей, за этими

терминологическими изысками скрыто множество неизвестных

нам «персонажей», каждому из которых отведена определенная

роль в чудовищно сложной иерархии элементов клеточной струк-

туры. До истинного ее понимания, судя по всему, еще далеко.

Порядок хаоса

Казалось бы, у клетки должно быть и другое предназначение,

кроме искажения истинной формы ДНК и разупорядочения ее

структуры. А структура эта действительно меняется непрерывно и

отнюдь не произвольно. Хромосомы в промежутках между делени-

ями клетки всегда располагаются в ядре определенным образом,

причем это расположение может меняться при изменении ее состо-

яния. И все изменения в хроматине имеют свою внутреннюю ло-

гику, хотя, как уже отмечалось, понимаем мы ее пока неважно.

По одной из гипотез, в ДНК есть повторяющиеся с периодичнос-

тью 10-100 тыс. нуклеотидов специальные участки, «ответствен-

ные» за ее крепление к ядерной матрице и расщепление хромо-

сомы. Но экспериментально эти участки (как, впрочем, и сама

ядерная матрица) пока не обнаружены. Не подтверждено и сущест-

вование белкового каркаса, определяющего особенности клеточ-

ного деления. В этом процессе пока вообще не удается «выудить»

ничего определенного из месива денатурированных белков.

Так или иначе, но взаимное расположение витков спирали оказы-

вается решающим для уплотнения ДНК и управления экспрессией

генов. При этом создается впечатление, что каждый такой виток ве-

дет себя как независимая система, в пределах которой и проявляется

активность генов. Иными словами, в хромосомах существует по мень-

шей мере один уровень структурной организации, сказывающийся

на масштабах переноса информации в молекуле ДНК.

Как уже отмечалось, цепочки ДНК плотно намотаны на нуклео-

сомы, диски котор"ых обладают определенной подвижностью — их

перемещения по спирали напоминают движения штопора. И вновь

необходимо оговориться, что в действительности все устроено го-

раздо сложнее, хотя бы из-за наличия структурных дефектов, пере-

мещающихся при любых взаимодействиях.

Утраченные иллюзии и крепнущий оптимизм

Что ж, приходится признать, что все вышеизложенное заметно

разрушает иллюзию простоты и универсальности канонизирован-

ной модели Уотсона и Крика, однако одновременно приходится

признать и то, что эти штрихи могут сложиться в более богатую па-

нораму происходящего в живой материи.

Фундаментальная основа передачи информации с помощью нук-

леиновых кислот — комплементарное спаривание оснований — вы-

глядит настолько изящной и величественной, что мы на время оказа-

лись ослепленными ею и неспособными к дальнейшему совершен-

ствованию наших представлений о структуре ДНК. Но постепенно

пелена с глаз спадает, и уже многие лаборатории в мире пытаются до-

бавить свой мазок к будущей более точной картине.

Не меньший интерес представляют и попытки применения до-

бытых в последние годы знаний к искусственным системам. На-

пример, то, что биологические мезосистемы, весьма далекие от

условий, где простота и упорядоченность уступают место непред-

сказуемости и хаосу, имеют характерные для них внутреннюю

структуру, логику поведения, правила и механизмы управления,

может оказаться необычайно важным для приложений (например,

для клеточной инженерии). Но это уже тема нового рассказа о

непрекращающихся попытках получить исчерпывающий ответ на

один из самых волнующих вопросов мироздания: «как работает

ДНК?»

Хронология «ДНК-логии»

1820 — изложение К. Массе закона наследования гемофилии. 1865 —

формулировка Г. Менделем основных правил наследственности. 1869 —

открытие И. Мишером нуклеиновых кислот в ядрах клеток. 1875 —

первое описание 0. Гертвигом слияния яйцеклетки и спермия

(у морских ежей).

1878 — первое оплодотворение in vitro (Л. Шенк). 1902 — появление

гипотезы В. Саттона и Т. Бовери о локализации генов

в хромосомах. ^>

1910 — первые работы Т. Моргана по наследственности плодовой мушки

дрозофилы, первоначальная формулировка хромосомной теории

наследственности. 1922 — издание книги Л.С. Берга «Номогенез, или Эволюция на

основе закономерностей».

1925

— открытие мутагенного действия рентгеновского излучения

(Г. Надсон, С Г. Филиппов, Г. Меллер, Л. Сталлер).

1926

— публикация результатов исследования С.С. Четверикова по генетике

и эволюции популяций в природе, согласование теории мутаций с теорией

естественного отбора, раскрытие роли случайностей в эволюции

1927— появление матричной гипотезы воспроизводства биополимеров

Н.К. Кольцова.

2* 19

Увы, и эта схема не может считаться надежно подтвержденной

в эксперименте. По мнению некоторых исследователей, за этими

терминологическими изысками скрыто множество неизвестных

нам «персонажей», каждому из которых отведена определенная

роль в чудовищно сложной иерархии элементов клеточной струк-

туры. До истинного ее понимания, судя по всему, еще далеко.

Порядок хаоса

Казалось бы, у клетки должно быть и другое предназначение,

кроме искажения истинной формы ДНК и разупорядочения ее

структуры. А структура эта действительно меняется непрерывно и

отнюдь не произвольно. Хромосомы в промежутках между делени-

ями клетки всегда располагаются в ядре определенным образом,

причем это расположение может меняться при изменении ее состо-

яния. И все изменения в хроматине имеют свою внутреннюю ло-

гику, хотя, как уже отмечалось, понимаем мы ее пока неважно.

По одной из гипотез, в ДНК есть повторяющиеся с периодичнос-

тью 10-100 тыс. нуклеотидов специальные участки, «ответствен-

ные» за ее крепление к ядерной матрице и расщепление хромо-

сомы. Но экспериментально эти участки (как, впрочем, и сама

ядерная матрица) пока не обнаружены. Не подтверждено и сущест-

вование белкового каркаса, определяющего особенности клеточ-

ного деления. В этом процессе пока вообще не удается «выудить»

ничего определенного из месива денатурированных белков.

Так или иначе, но взаимное расположение витков спирали оказы-

вается решающим для уплотнения ДНК и управления экспрессией

генов. При этом создается впечатление, что каждый такой виток ве-

дет себя как независимая система, в пределах которой и проявляется

активность генов. Иными словами, в хромосомах существует по мень-

шей мере один уровень структурной организации, сказывающийся

на масштабах переноса информации в молекуле ДНК.

Как уже отмечалось, цепочки ДНК плотно намотаны на нуклео-

сомы, диски которых обладают определенной подвижностью — их

перемещения по спирали напоминают движения штопора. И вновь

необходимо оговориться, что в действительности все устроено го-

раздо сложнее, хотя бы из-за наличия структурных дефектов, пере-

мещающихся при любых взаимодействиях.

Утраченные иллюзии и крепнущий оптимизм

Что ж, приходится признать, что все вышеизложенное заметно

разрушает иллюзию простоты и универсальности канонизирован-

ной модели Уотсона и Крика, однако одновременно приходится

признать и то, что эти штрихи могут сложиться в более богатую па-

нораму происходящего в живой материи.

Фундаментальная основа передачи информации с помощью нук-

леиновых кислот — комплементарное спаривание оснований — вы-

глядит настолько изящной и величественной, что мы на время оказа-

лись ослепленными ею и неспособными к дальнейшему совершен-

ствованию наших представлений о структуре ДНК. Но постепенно

пелена с глаз спадает, и уже многие лаборатории в мире пытаются до-

бавить свой мазок к будущей более точной картине.

Не меньший интерес представляют и попытки применения до-

бытых в последние годы знаний к искусственным системам. На-

пример, то, что биологические мезосистемы, весьма далекие от

условий, где простота и упорядоченность уступают место непред-

сказуемости и хаосу, имеют характерные для них внутреннюю

структуру, логику поведения, правила и механизмы управления,

может оказаться необычайно важным для приложений (например,

для клеточной инженерии). Но это уже тема нового рассказа о

непрекращающихся попытках получить исчерпывающий ответ на

один из самых волнующих вопросов мироздания: «как работает

ДНК?»

Хронология «ДНК-логии»

1820 — изложение К. Нассе закона наследования гемофилии. 1865 —

формулировка Г. Менделем основных правил наследственности. 1869 —

открытие И. Мишером нуклеиновых кислот в ядрах клеток. 1875 —

первое описание О. Гертвигом слияния яйцеклетки и спермия

(у морских ежей).

1878 — первое оплодотворение in vitro (Л. Шенк). 1902 — появление

гипотезы В. Саттона и Т. Бовери о локализации генов

в хромосомах. 1910 — первые работы Т. Моргана по наследственности

плодовой мушки

дрозофилы, первоначальная формулировка хромосомной теории

наследственности. 1922 — издание книги Л.С. Берга «Номогенез, или Эволюция на

основе закономерностей».

1925

— открытие мутагенного действия рентгеновского излучения

(Г. Надсон, С.Г. Филиппов, Г. Меллер, Л. Сталлер).

1926

— публикация результатов исследования С.С. Четверикова по генетике

и эволюции популяций в природе, согласование теории мутаций с теорией

естественного отбора, раскрытие роли случайностей в эволюции.

1927 — появление матричной гипотезы воспроизводства биополимеров

Н.К. Кольцова.

2* 19

1928 — работы Ф. Гриффита по генетической трансформации микроорганизмов. 1930

— начало исследований Е. Бауэра и В.В. Сахарова по химическому мутагенезу.

1937— издание книги Ф.Г. Добржанского «Генетика и происхождение видов»

(синтетическая теория эволюции, связь теории естественного отбора

с данными о популяционно-генетической изменчивости).

1938 — первое использование термина «молекулярная биология», первая

публикация

в журнале «Nature» результатов рентгеноструктурного анализа нуклеиновой

кислоты.

1939 — открытие С.М. Гершензоном мутагенного действия ДНК.

1941 — первая работа по биохимической генетике, использование биохимии в генетике;

результаты Дж. Бернала по рентгеноструктурному анализу вируса табачной

мозаики.

1943 — формулирование основополагающих принципов ДНК-технологии

(Э. Шрёдингер): уподобление наследственного материала кодированному

сообщению и открытие возможности переноса генов из одного организма в

другой.

1944

— первое исследование химической природы вещества,

передающего

наследственные признаки.

1945

— работа С. Лурии о мутациях у бактериофагов, давшая

модель

для генетических исследований на молекулярном уровне.

1946

— издание книги И.И. Шмальгаузена «Факторы эволюции».

1947

— открытие конъюгации (слияния) клеток у кишечной палочки, получение

доказательства ее обусловленности генетическими факторами.

1948

— рождение теленка от искусственно оплодотворенной коровы.

1949

— открытие Л. Полингом генетической природы серповидно-клеточной

анемии,

ставшей классической моделью наследственных заболеваний.

1950

— открытие Э. Чаргаффом нуклеотидного состава ДНК.

1951

— работы Л. Полинга по спиральным структурам в белках^определение

Ф. Сенгером химического строения инсулина; первые работы Б. Макклинток

по «прыгающим» генам.

1952

— первое клонирование (из ядра клетки зародыша лягушки,

пересаженного

в яйцеклетку лягушки, получено взрослое животное).

1953

— публикация в журнале «Nature» статьи Дж. Уотсона и Ф. Крика о структуре

ДНК

(двойная спираль).

Беседа с академиком Е.Д. Свердловым

директором Института

молекулярной генетики РАН

Главная цель - клетка

— Евгений Давидович, все, кто хоть немного интересуются

наукой, наслышаны о том, что XX век стал «золотым веком» био-

логии. Весной 2003 г. мир отметил 50-летие открытия ДНК. Озна-

чает ли это, что революция в науках о живом позади и фундамен -

тальных открытий в обозримом будущем не стоит ожидать? Как

Вы оцениваете биологические перспективы XXI века?

— Я убежден, что в недалеком будущем нас ждут открытия, еще

оолее удивительные, чем те, что принес нам XX век. Конечно, в ис-

текшем веке в биологии произошел подлинный прорыв, и триум-

фальные достижения следовали одно за другим, буквально сметая

наши прежние представления о таинствах живого, но тем не менее

IITOT «золотой век» представлял собой пусть и очень плодотворный, но

исего лишь промежуточный этап большого пути, который начался

давно и будет продолжаться еще долго. Мы по-прежнему задаем себе

иопрос, над которым бились многие светлые умы, — что такое жизнь,

как она устроена? На него пытались ответить и Жан Батист Ламарк,

и Чарлз Дарвин, и выдающийся физик, один из создателей квантовой

механики, лауреат Нобелевской премии Эрвин Шрёдингер.

В самом конце XX века удалось осуществить то, что я бы назвал

великой мечтой, «теоремой Ферма» в биологии — была установ-

лена структура генома человека. И это создало прочную основу для

дальнейшего движения вперед, к пониманию того, что есть жизнь.