«Спираль жизни» (к 50-летию присуждения Нобелевской премии Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону и Морису Уилкинсу «За открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значения для передачи информации в живых системах»)

ЮБИЛЕЙНЫЕ ДАТЫ

УДК 61(09):575.1:576.1:577.1 «СПИРАЛЬ ЖИЗНИ»

(К 50-летию присуждения Нобелевской премии Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону и Морису Уилкинсу «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значения для передачи информации в живых системах») A.C. Королёв, A.B. Литвинов

Смоленская государственная медицинская академия, Россия, 214019, Смоленск, ул. Крупской, 28

Науки, требуя упорного труда, мирны и всемирны, светят же далеко...

Д.И. Менделеев

В нынешнем году исполняется 50 лет с того момента, когда решением Нобелевского комитета была присуждена одноименная премия в области физиологии и медицины Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону и Морису Уилкинсу «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значения для передачи информации в живых системах».

Ключевые слова: геном, нуклеиновая кислота, живые системы, код, лаборатория

«SPIRAL OF LIFE»

(The fiftieth anniversary of the awarding of Francis Crick, James Watson and Maurice Wilkins with the Nobel Prize «For their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and their significance for information transfer in living systems») A.S. Korolev, A.V. Litvinov

Smolensk State Medical Academy, Russia, 214019, Smolensk, Krupskaya St., 28

This year is the fiftieth anniversary since the time when the Noble committee made a decision to award Francis Crick, James Watson and Maurice Wilkins in the physiology and medical field «for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and their significance for information transfer in living systems».

Key words: genome, nucleic acid, living systems, code, laboratory

Исследование генома человека уходит своими корнями в середину XIX века, когда в 1868 г. швейцарский патологоанатом Иоган Фридрих Мишер выделил из клеточного ядра субстанцию, названную им нуклеином. Через некоторое время в 1889 г., Рихард Альтман предложил термин «нуклеиновые кислоты» и разработал способ их выделения. В 1891 г. Альбрехт Коссель показал, что продукты кислотного гидролиза нуклеиновой кислоты содержат фосфорную кислоту, аденин, гуанин и некоторые углеводы, природа которых была установлена к 1929 г. В 1909 г. Ф.А.Т. Левин установил, что в состав нуклеиновых кислот входят гуанин, аденин, урацил и цитозин, а в 1944 г. Освальд Теодор Эйвери с сотрудниками доказали, что генетический материал состоит из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Вплоть до 50-х гг. XX века точное строение ДНК, как и способ передачи наследственной информации, оставались неизвестными. При этом уже было установлено, что ДНК состоит из нескольких нуклеотидных цепочек, однако никто не знал количества этих цепочек и как они соединены между собой. Расшифровка структуры ДНК стала одним из поворотных моментов в истории современной биологической науки.

Рис. 1. Френсис Крик

Английский молекулярный биолог Френсис Харри Комптон Крик (рис. 1) родился в городе Нортхемптон (Англия). Он был старшим из двух сыновей Харри Комптона Крика, зажиточного обувного фабриканта и Анны Элизабет Вилкинс Крик. В этом же городе он закончил среднюю классическую школу. Во время экономического кризиса, наступившего после 1-й мировой войны, коммерческие дела семьи пришли в упадок, и родители Ф. Крика переехали в Лондон. Будучи студентом школы Милл-Хилл, Ф. Крик проявил большой интерес к физике, химии и математике. В 1934 г. он поступил в Университетский колледж в Лондоне для изучения физики и окончил его через 3 года, получив звание бакалавра естественных наук. В Университетском колледже Ф. Крик изучал вопросы вязкости воды при высоких температурах. Эта работа была прервана в 1939 г. разразившейся 11-й мировой войной. В военные годы он занимался созданием мин в научно-исследовательской лаборатории Военно-морского министерства Великобритании. Именно в это время он прочитал известную книгу Эрвина Шредингера «Что такое жизнь? Физические аспекты живой клетки», вышедшую в свет в 1944 г., в которой автор задается вопросом: «Как можно пространственно-временные события, происходящие в живом организме, объяснить с позиции физики и химии?». Идеи, изложенные в книге, настолько повлияли на молодого учёного, что он, намереваясь заняться физикой частиц, переключился на биологию.

В 1947 г. Ф. Крик приступил к работе в Стрэнджвейской лаборатории в Кембридже. Здесь он изучал биологию, органическую химию и методы рентгеновской дифракции, используемые для определения пространственной структуры молекул. Его познания в биологии значительно расширились после перехода в 1949 г. в знаменитую Кавендишскую лабораторию в Кембридже -один из мировых центров молекулярной биологии. Под руководством Макса Перуца Ф. Крик исследовал молекулярную структуру белков. Во время этой работы у него возник интерес к изучению генетического кода последовательности аминокислот в белковых молекулах. Изучая вопрос, определенный им как «граница между живым и неживым», Ф. Крик пытался найти химическую основу генетики, которая, как он предполагал, могла быть заложена в структуре ДНК.

К этому времени уже было известно, что нуклеиновые кислоты состоят из ДНК и рибонуклеиновой кислоты (РНК), каждая из которых образована молекулами моносахарида группы пентоз (дезоксирибозы или рибозы), фосфатом и четырьмя азотистыми основаниями -аденином, тимином, гуанином и цитозином (в РНК вместо тимина содержится урацил). В 1950 г. Эрвин Чаргафф из Колумбийского университета показал, что ДНК включает равные количества этих азотистых оснований. Морис Х.Ф. Уилкинс и его коллега Розалинда Франклин из Королевского колледжа Лондонского университета впервые провели рентгеновские дифракционные исследования молекул ДНК и сделали вывод, что они имеют форму двойной спирали, напоминающей винтовую лестницу.

В 1951 г. двадцатитрехлетний американский биолог Джеймс Девей Уотсон пригласил Ф. Крика на работу в Кавендишскую лабораторию. Впоследствии между ними установились тесные творческие контакты. На основании работ своих предшественников Ф. Крик и Д. Уотсон намеревались определить химическую структуру ДНК. В течение двух лет они разработали пространственную структуру молекулы ДНК, сконструировав модель из шариков, кусков проволоки и картона. Согласно их идее, ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей моносахарида и фосфата (дезоксирибозофосфата), соединенных парами оснований внутри спирали, причем аденин соединяется с тимином, а гуанин с цитозином, а основания друг с другом водородными связями.

Рис. 2. Модель структуры ДНК

В 1953 г. Ф. Крик и Д. Уотсон завершили создание модели ДНК (рис. 2). «Когда мы увидели, что ДНК состоит из 2-х комплементарных цепочек, мы сразу вскрикнули: «Oh, boy!»» - писал впоследствии Д. Уотсон. В этом же году Ф. Крик получил степень доктора философии в Кембридже, защитив диссертацию, посвященную рентгеновскому дифракционному анализу структуры белка. В течение следующего года он изучал структуру белка в Бруклинском политехническом институте в Нью-Йорке и читал лекции в различных университетах США. Возвратившись в Кембридж в 1954 г., он продолжил свои исследования в Кавендишской лаборатории, сконцентрировав внимание на расшифровке генетического кода. Будучи изначально теоретиком, он начал совместно с Сиднеем Бреннером (будущим лауреатом Нобелевской премии 2002 г. «за открытия, касающиеся регулирования развития и программируемой смерти клеток») изучение генетических мутаций в бактериофагах - вирусах, инфицирующих бактериальные клетки.

К 1961 г. были открыты три типа РНК: информационная, рибосомальная и транспортная. Согласно теории Ф. Крика и его коллег, именно информационная РНК получает генетическую информацию с ДНК в ядре клетки и переносит ее к рибосомам (местам синтеза белков) в цитоплазме клетки.Транспортная же РНК доставляет туда аминокислоты. Информационная и рибосомная РНК, взаимодействуя друг с другом, обеспечивают соединение аминокислот для образования молекул белка в правильной последовательности. Генетический код составляют триплеты азотистых оснований ДНК и РНК для каждой из 20 аминокислот. Состоящие из многочисленных основных триплетов гены Ф. Крик назвал кодонами. Они одинаковы у различных биологических видов. Предложенная модель ДНК позволила отчетливо представить механизм её репликации. Две цепи молекулы разделяются в местах водородных связей наподобие открытия застежки-молнии, после чего на каждой половине прежней молекулы ДНК происходит синтез новой. Последовательность оснований действует как матрица, или образец, для новой молекулы. В год получения Нобелевской премии Ф. Крик стал заведующим биологической лабораторией Кембриджского университета и иностранным членом Совета Солковского института в Сан-Диего (Калифорния, США). Получив в 1977 г. приглашение на должность профессора, он переехал в Сан-Диего, где активно занимался изучением роли космоса в возникновении жизни на Земле («непосредственная панспермия»).

Многочисленные награды Ф. Крика включают премию Шарля Леопольда Майера Французской академии наук (1961), научную премию Американского исследовательского общества (1962), Королевскую медаль (1972), медаль Копли Королевского общества (1976). Он являлся почетным членом Лондонского Королевского общества, Королевского общества Эдинбурга, Королевской ирландской академии, Американской ассоциации содействия развитию наук, Американской академии наук и искусств и американской Национальной академии наук.

Вторым лауреатом знаменитой Нобелевской премии 1962 г. стал один из самых молодых в нобелевской плеяде учёных Джеймс Девей Уотсон (рис. 3). Он родился в Чикаго (Иллинойс, США), где получил начальное и среднее образование. Вскоре стало очевидно, что Джеймс является необыкновенно одаренным ребенком. Проучившись в средней школе лишь 2 года, он получил в 1943 г. стипендию для обучения в экспериментальном 4-годичном колледже при Чикагском университете, где проявил интерес к изучению орнитологии. Став бакалавром

естественных наук в университете Чикаго в 1947 г., он продолжил образование в Индианском университете Блумингтона.

К этому времени Д. Уотсон заинтересовался генетикой и проходил обучение под руководством специалиста в этой области Германа Мёллера и бактериолога Сальвадора Лурия. Защитив диссертацию о влиянии рентгеновских лучей на размножение бактериофагов (вирусов, инфицирующих бактерии), он получил в 1950 г. степень доктора философии. Субсидия Национального исследовательского общества позволила ему продолжить исследования бактериофагов в Копенгагенском университете в Дании. Там он проводил изучение биохимических свойств ДНК бактериофага. Однако, как он позднее вспоминал, эксперименты с фагом стали его тяготить, ему хотелось узнать больше об истинной структуре молекул ДНК, о которых так увлеченно говорили и спорили генетики.

Весной 1951 г., во время пребывания на симпозиуме в Неаполе (Италия), Д. Уотсон познакомился с английским исследователем Морисом Уилкинсом. Основываясь на представлениях М. Уилкинса о двойной винтообразной спирали ДНК, Д. Уотсон решил исследовать химическую структуру нуклеиновых кислот. Национальное общество по изучению детского паралича выделило ему для этих целей субсидию. В октябре 1951 г. Д. Уотсон отправился в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета для исследования пространственной структуры белков. Там он познакомился с уже известным нам Ф. Криком, физиком, интересовавшимся биологией и работавшим в то время над докторской диссертацией.

Обнаружив сходство своих интересов, Д. Уотсон и Ф. Крик в 1952 г. решили попытаться определить структуру ДНК. Им было известно, что существует два типа нуклеиновых кислот -ДНК и РНК, каждая из которых состоит из моносахарида группы пентоз, фосфата и четырех азотистых оснований: аденина, тимина (в РНК - урацила), гуанина и цитозина. В течение последующих восьми месяцев Д. Уотсон и Ф. Крик обобщили полученные ими результаты и, сравнив их с уже имевшимися, в феврале 1953 г. высказали представление о структуре ДНК. Месяцем позже они создали трехмерную модель молекулы ДНК.

Открытие химической структуры ДНК было оценено во всем мире как одно из наиболее выдающихся биологических открытий века. После опубликования описания модели строения ДНК в английском журнале «Nature» в апреле 1953 г. тандем Ф. Крика и Д. Уотсона распался. Через год с небольшим Д. Уотсон был назначен старшим научным сотрудником кафедры биологии Калифорнийского технологического института в Пасадене (Калифорния, США). В 1955 г., когда он работал ассистентом профессора биологии в Гарвардском университете Кембриджа (Массачусетс, США), судьба на короткое время вновь свела его с Ф. Криком. В 1958 г. Д. Уотсон был назначен адъюнкт-профессором, а в 1961 г. - полным профессором. С 1968 г. Д. Уотсон -директор лаборатории молекулярной биологии в Колд-Спринг-Харборе (Лонг-Айленд). Значительное место в его работе занимают нейробиология и изучение роли вирусов и ДНК в развитии рака. Он также является автором одного из наиболее известных и популярных учебников по молекулярной биологии - «Молекулярная биология гена». С 1988 по 1992 гг. Д. Уотсон успешно сотрудничал с проектом «Геном человека». В 2007 г. расшифровал совместно с

Рис. 3. Джеймс Уотсон

коллегами свой собственный геном, стоимость работы над которым составила 1 млн. долларов. В свободное время любит прогуливаться и наблюдать за поведением птиц. Несмотря на свой возраст, продолжает играть в теннис.

Среди многочисленных премий и наград Д. Уотсона - премия Альберта Ласкера Американского национального общества здоровья (1960), медаль Джона Д. Карти Национальной академии наук (1971) и президентская медаль Свободы (1977). Он член Национальной академии наук, Американского общества биохимиков, Американской ассоциации исследований рака, Американского философского общества и Датской академии наук и искусств, а также член совета студентов Гарвардского университета. Он был удостоен почетных степеней университетов Чикаго, Хофстра, Лонг-Айленда, Брандейса, Гарварда, Нью-Йорка, Рокфеллеровского университета, а также Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна.

Третьим лауреатом престижной премии стал английский биофизик Морис Хью Фредерик Уилкинс (рис. 4), который родился в Понгароа (Новая Зеландия) в семье увлекающегося научными исследованиями школьного директора Эдгара Генри Уилкинса. Его мать Эвелин (Виттейкер) Уилкинс в своё время эмигрировала из Ирландии. В возрасте 6 лет Морис был отправлен в Бирмингем (Англия) для обучения в школе им. короля Эдуарда. В 1934 г. он был зачислен в колледж св. Джона (Кембридж) для изучения физики. После получения степени бакалавра искусств в 1938 г. М. Уилкинс получил работу в министерстве внутренней безопасности и самолетостроения, где он выполнял исследования по радарам в Бирмингемском университете. В 1940 г. получил учёную степень доктора философии, защитив диссертацию по люминесценции кристаллов, вызванной перемещением электронов. Его работа явилась существенным вкладом в дело совершенствования радарных установок.

Рис. 4. Морис Уилкинс

Вскоре М. Улкинс был переведен в группу английских исследователей, работавших над проблемой разделения изотопов урана с целью создания атомного оружия. В 1944 г. он был направлен в Калифорнийский университет в Беркли (США) для участия в разработке Манхэттенского проекта. Именно в это время он, как и Ф. Крик, прочел книгу Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь? Физические аспекты живой клетки», которая определила его дальнейшую судьбу как учёного. Э. Шрёдингер, физик по профессии, высказал идею о том, что с помощью квантовой физики можно понять биологическое развитие, а через это осознать саму жизнь. Как и многие молодые ученые его времени, М. Уилкинс испытал большое влияние этой идеи и в результате, как он вспоминал позднее, «заинтересовался исследованиями в области биологии».

Удобный случай испытать свои силы представился ему в 1945 г., когда один из его первых профессоров Бирмингемскго университета Д.Т. Рэндал пригласил его на должность преподавателя физики во вновь образованный исследовательский отдел биофизики в университете Сент-Андруса (Шотландия). М. Уилкинс присоединился к работе Совета по медицинским исследованиям и начал изучение ДНК, обеспечивающей воспроизведение клеток в живых организмах. М. Улкинс пытался разработать методы, которые позволили бы установить сложную химическую структуру молекулы ДНК. Вначале для этой цели он применил ультрафиолетовую микроскопию. Позднее, изучая клеточный материал под микроскопом, он увидел «тонкую и почти незаметную нить ДНК, располагающуюся в виде волокна паутины». Вместе с Розалин Франклин, коллегой по Королевскому колледжу, М. Уилкинс подверг образцы ДНК рентгеновскому дифракционному анализу, используемому для определения химической структуры молекул. Полученные

97

феноменальные результаты показали, что молекула ДНК имеет форму двойной спирали, напоминающую винтовую лестницу.

М. Уилкинс и Р. Франклин поделились своими данными с Ф. Криком и Д. Уотсоном, предложившими ранее трехмерное строение молекулы ДНК. С 1955 по 1970 г. М. Уилкинс работал заместителем директора, а с 1970 по 1972 г. - директором биофизического отдела Центра медицинских исследований Королевского колледжа. Затем он был назначен директором отдела нейробиологии, в котором с 1974 по 1980 гг. возглавлял отдел клеточной биофизики. В 1981 г. ему присвоили звание заслуженного профессора Королевского колледжа. Помимо исследований молекулярной структуры нуклеиновых кислот, М. Уилкинс изучал строение мембран нервных клеток.

М. Уилкинс являлся лауреатом премии Альберта Ласкера Американской ассоциации здравоохранения (1960), членом Королевского общества, почетным иностранным членом Американского биохимического общества и Американской академии наук и искусств, президентом английского Общества социальной ответственности в науке и членом комитета Рассела против химического оружия. В жизни он был страстным садоводом и коллекционером скульптур.

Фундаментальные научные открытия Ф. Крика, Д. Уотсона и М. Уилкинса способствовали стремительному развитию биологической науки. В 1969 г. впервые был синтезирован искусственный фермент, в 1971 г. - искусственный ген. В конце XX века стало возможным создание искусственных бактерий, вырабатывающих необычные для них аминокислоты, а также жизнеспособных «синтетических» вирусов. Ведутся работы по созданию более сложных искусственных организмов - растений и животных. Генная инженерия привела к разработке методики модификации генома и клонирования биологических объектов. В 1980 г. был выдан первый патент на проведение экспериментов с генами млекопитающих, а год спустя была создана трансгенная мышь с искусственно модифицированным геномом. В 1995 г. на свет появилось первое клонированное млекопитающее - овечка Долли, потом к ней присоединились клонированные мыши, крысы, коровы и обезьяны...

В 2002 г. был успешно завершен проект «Геном человека», в ходе которого создана полная генетическая карта человеческих клеток. В ходе 13-летней работы над ним была установлена последовательность нуклеотидов человека (анонима мужского пола из Нью-Йорка), которая состояла из трёх миллиардов «букв», составлявших два метра ДНК, хранящихся в ядре каждой клетки организма. Установка, с помощью которой была записана ДНК, занимала несколько больших ангаров, а стоила эта работа около трёх миллиардов долларов. В настоящее время на запись генома одного человека уходит около месяца и стоит эта работа около 100 тыс. долларов и вскоре достигнет, вероятно, одной тыс. долларов, что позволит использовать её в широкой практике. В 1978 г. был создан инсулин, практически полностью идентичный человеческому, а затем его ген был внедрен в геном бактерий, превратившихся в «фабрику инсулина». Всего на сегодняшний день в клинической практике применяется более 350 препаратов и вакцин, при создании которых используется генная инженерия. В настоящее время полным ходом идет изучение генетических механизмов развития самых разных заболеваний (от рака до артрита) и поиск методов исправления вызывающих их «генетических ошибок».

Имена выдающихся учёных современности Ф. Крика, Д. Уотсона и М. Уилкинса, раскрывших фундаментальные механизмы биологической сущности человека, навечно войдут в историю человечества.

Список литературы

1. Литвинов А.В., Литвинова И.А. Нобелевская плеяда медицинских открытий. - Смоленск: Смол.гор. типография, 2008. - С. 82-85.

2. Ноздрачев А.Д., Марьянович А.Т., Поляков Е.Л. и др. Нобелевские премии по физиологии и медицине за 100 лет. - СПб: «Гуманистика», 2002. - С. 72.

3. Лауреаты Нобелевской премии. Энциклопедия. Т.2. Пер. с англ. - М: «Прогресс», 1992. - С. 96.

4. Ичас М. Биологический код. Пер. с англ. - М., 1971. - С. 130.

5. Уотсон Д. Молекулярная биология гена. Пер. с англ. - М.: Изд-во «Мир», 1981. - С. 67.

6. Уотсон Д. Двойная спираль: Воспоминания об открытии структуры ДНК. - М., 1969. - С. 58.