Сегодня понятия "генетика" и "ДНК" в нашем сознании неразделимы. И наверняка многие вспомнят имена Уотсона и Крика при упоминании спиральной структуры этой основы нашей наследственности. Но не все знают, что сама была открыта совсем не ими, и не всегда она была главной молекулой жизни. Кто открыл ДНК, каково ее значение и другие аспекты - тема данной статьи.

Холодный замок

В лаборатории, где работал Фридрих Мишер, было мало света и очень холодно. Ведь она была оборудована в замке Хоэтюбинген герцога Вюртембергского Именно низкая температура стала удачным стечением обстоятельств, позволивших свершиться в 1869 году открытию, названному впоследствии одним из самых крупных событий XIX-XX века в науке генетике. Сегодня в этом замке работает музейная экспозиция, а та самая кухня называется «Колыбель биохимии». Кто открыл ДНК и что этому предшествовало?

Случайный биохимик

Иоганн Фридрих Мишер (1844-1895) родился в семье потомственных врачей в швейцарском городе Базель. Там же 23-летний Фридрих закончил медицинский факультет университета. Но, вопреки ожиданиям семьи, врачом он не стал. Его интересовали исключительно живые клетки и процессы, которые в них происходят. И молодой ученый оказался в той самой лаборатории в компании сорока таких же новаторов, которые под началом основателя биохимии Феликса Хоппе-Зейлера (1825-1895) изучали клетки крови человека. Это была одна из первых, в то время единственная в Европе, биохимическая лаборатория, которую основал в 1818 году выдающийся химик, давший название гемоглобину и карбоксигемоглобину крови.

Странный осадок

История открытия ДНК весьма любопытна. Молодому Фридриху Мишеру досталось изучать лейкоциты (белые клетки крови). Из местной больницы ему привозили бинты в крови и гное, которые он промывал и исследовал белки лейкоцитов. Именно тогда он и заметил, что в пробирках после выделения белков всегда остается какой-то белый осадок в виде хлопьев. Изучая свою находку под микроскопом, Мишер заметил, что после промывания от лейкоцитов оставались только ядра. Вывод напрашивался сам собой: вещество находится в ядре. Вот кто открыл ДНК, только назвал он вещество нуклеином (от латинского слова ядро - nucleus).

Пытливый исследователь

Ученый менял способы промывки лейкоцитов, реагенты и способы очистки. Так выяснилось, что это вещество - не белок и не жир. Биохимия только зарождалась, химический анализ был делом непростым, долгим и очень трудоемким. Но Фридрих Мишер провел его и выяснил, что составляющие ДНК - это углерод, кислород и азот. Но что более странно - в веществе присутствовал в больших концентрациях фосфор. На тот момент химия не знала соединений подобного состава, и Мишер понял, что он открыл что-то особенное. Гоппе-Зейлер (наставник) поддержал его, и в 1871 году труды были опубликованы и сопровождались рецензией уважаемого химика того времени. Дальнейшее изучение показало кислотные свойства вещества, и именно тогда оно стало называться нуклеиновой кислотой. Хотя, по правде, первооткрывателю это не нравилось, и в своих работах он продолжал называть ДНК нуклеином.

Рыбалка на благо науки

Возвратившись в Базель, и заняв пост заведующего кафедры физиологии университета, в котором учился, Мишер продолжил научные изыскания. Объектом для изучения ДНК он выбрал молоки лосося. Кстати, и сегодня молоки лососевых используются для получения ДНК в больших количествах. В Рейне в те времена лосось водился в избытке, и Фридрих совмещал приятное времяпровождение с удочкой с работой по добыче материала для исследований. В своих работах о молоках (1874 г.) он и не предполагал роли ДНК в наследовании признаков, а связывал это вещество с процессами оплодотворения. От изучения молок лососевых он перешел к изучению их физиологии.

Позже ученый приступил к исследованию вопросов здорового рациона для заключенных тюрем. Он даже написал поваренную книгу. Затем он основал институт анатомии и физиологии (Базель), внес вклад в изучение роли кровяных клеток в дыхании. А про его нуклеотид надолго забыли.

Крах протеиновой теории наследственности

В XIX веке в науке господствовала теория, что материальными носителями являются белки. О роли такой простой субстанции, как ДНК, в данном вопросе не догадывались. И только в 1944 году об открытии Мишера вспомнили. Другой медик, американский, Освальд Эвери (1877-1955) своими опытами показал генетическое значение ДНК. Опыты Эвери и его соавторов Колина Маклауда и Маклина Маккарти в Рокфеллеровском институте медицинских исследований (Нью-Йорк) наглядно доказали, что именно ДНК, а не белки, являются носителями генетической информации.

От тысячелетий к десяткам лет

Тысячелетия понадобились науке для понимания основы наследственности. Но для расшифровки молекулы ДНК, механизмов матричного синтеза и построения геномной карты понадобились всего лишь десятки лет. Опыты, которые начал Ф. Гриффит (1928), продолжили не только Эвери с соавторами. Молекулярная биология родилась в момент представления миру модели структуры ДНК - двойной закрученной спирали (1953). Имена авторов этой модели - Джеймс Уотсон и получившие Нобелевскую премию за вою модель структуры ДНК. Кто открыл само вещество и исследовал его, многие источники просто умалчивают.

Трагедии и судьбы

В истории открытия ДНК немало тайн, загадок и обиженных ученых. Например, Эрвин Чаргафф (1905-2002) до самой кончины считал, что Уотсон и Крик украли его Нобелевскую премию. И хотя он прославился своими или комплементарности нуклеотидов в цепочке ДНК), Уотсона и Крика он называл не иначе как шарлатанами. Еще одна тайна и трагедия связана с именем Розалин Франклин (1920-1958) - английского ученого-биолога. Именно ее работы по рентгеноструктурному анализу нуклеиновых кислот показал Уотсон Крику, когда их осенила идея о двойной спирали.

Подведем итог

Открытие дезоксирибонуклеиновой кислоты, ее состава и структуры не только дало толчок движению человеческой мысли. Эти открытия перевели научную теорию в область специфических экспериментов и практического применения. Сегодня мы расшифровали геном человека, нашли способы выявления наследственных патологических заболеваний плода в период внутриутробного развития, научились определять родство и виновников преступлений по ДНК-анализам. Получили возможность выращивать помидоры с генами холодоустойчивости лосося, разноцветные сосны, которые меняют цвет при взаимодействии с загрязняющими веществами, и (прото невозможно не упомянуть) вырастили светящихся поросят.

С открытием дезоксирибонуклеиновой кислоты мечты фантастов о бессмертии и модернизации человечества перестают быть сказкой, а переходят всего лишь в плоскость времени. А ведь все это случилось благодаря тому, что Иоганн Фридрих Мишер продолжал свою работу в лаборатории, несмотря на замерзшие руки.

ДНК является универсальным источником и хранителем наследственной информации, которая записана с помощью специальной последовательности нуклеотидов, она определяет свойства всех живых организмов.

Средняя молекулярная масса нуклеотида принимается равной 345, а количество нуклеотидных остатков может достигать нескольких сот, тысяч и даже миллионов. ДНК в основной своей массе находится в ядрах клеток. Немного содержится в хлоропластах и митохондриях. Однако ДНК ядра клетки - это не одна молекула. Она состоит из множества молекул, которые распределены по разным хромосомам, их количество меняется в зависимости от организма. Это и есть особенности строения ДНК.

История открытия ДНК

Строение и функции ДНК были открыты Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком, им даже была вручена Нобелевская премия в 1962 году.

Но впервые обнаружил нуклеиновые кислоты швейцарский ученый Фридрих Иоганн Мишер, работавший в Германии. В 1869 году он изучал животные клетки - лейкоциты. Для их получения использовал повязки с гноем, достававшиеся ему из больниц. Из гноя Мишер вымывал лейкоциты, а из них выделял белок. В ходе этих исследований ученому удалось установить, что в лейкоцитах кроме белков имеется еще что-то, какое-то неизвестное на тот момент вещество. Оно представляло собой нитевидный или хлопьевидный осадок, который выделялся, если создать кислую среду. Осадок сразу растворялся при добавлении щелочи.

Ученый с помощью микроскопа обнаружил, что при отмывании лейкоцитов с помощью соляной кислоты от клеток остаются ядра. Тогда он сделал заключение, что в ядре есть неизвестное вещество, названное им нуклеином (слово nucleus в переводе означает ядро).

Проведя химический анализ, Мишер выяснил, что новое вещество в своем составе имеет углерод, водород, кислород и фосфор. В то время фосфорорганических соединений было известно немного, поэтому Фридрих решил, что обнаружил новый класс соединений, находящихся в ядре клетки.

Таким образом, в XIX веке было открыто существование нуклеиновых кислот. Однако в то время никто не мог даже подумать о том, какая важная роль им принадлежит.

Вещество наследственности

Строение ДНК продолжали исследовать, и в 1944 году группа бактериологов под руководством Освальда Эвери получила доказательства того, что эта молекула заслуживает серьезного внимания. Ученый на протяжении многих лет занимался изучением пневмококков, организмов, которые вызывали пневмонию или заболевание легких. Эвери проводил опыты, смешивая пневмококки, вызывающие заболевание, с теми, которые безопасны для живых организмов. Сначала болезнетворные клетки убивали, а после добавляли к ним те, которые заболеваний не вызывают.

Результаты исследований поразили всех. Были такие живые клетки, которые после взаимодействия с мертвыми научались вызывать болезнь. Ученый выяснил природу вещества, которое участвует в процессе передачи информации живым клеткам от мертвых. Молекула ДНК и оказалась этим веществом.

Строение

Итак, необходимо разобраться с тем, какое строение имеет молекула ДНК. Открытие ее структуры стало значимым событием, это привело к образованию молекулярной биологии - новой отрасли биохимии. ДНК в больших количествах находится в ядрах клеток, однако размеры и количество молекул зависят от вида организма. Установлено, что ядра клеток млекопитающих содержат много этих клеток, они распределены по хромосомам, их насчитывается 46.

Изучая строение ДНК, в 1924 году Фельген впервые установил ее локализацию. Доказательства, полученные в ходе экспериментов, показали, что ДНК находится в митохондриях (1-2%). В других местах эти молекулы могут находиться при вирусной инфекции, в базальных тельцах, а также в яйцеклетках некоторых животных. Известно, что чем сложнее организм, тем масса ДНК больше. Количество молекул, находящихся в клетке, зависит от функции и составляет обычно 1-10%. Меньше всего их находится в миоцитах (0,2%), больше - в половых клетках (60%).

Строение ДНК показало, что в хромосомах высших организмов они связаны с простыми белками - альбуминами, гистонами и прочими, которые все вместе образуют ДНП (дезоксирибонуклеопротеид). Обычно большая молекула нестойкая, и для того чтобы она оставалась целой и неизменной в ходе эволюции, создана так называемая репарирующая система, которая состоит из ферментов - лигаз и нуклеаз, отвечающих за «ремонт» молекулы.

Химическое строение ДНК

ДНК является полимером, полинуклеотидом, состоящим из огромного числа (до десятков тысяч миллионов) мононуклеотидов. Строение ДНК имеет следующий вид: мононуклеотиды содержат азотистые основания - цитозин (Ц) и тимин (Т) - из производных пиримидинов, аденин (А) и гуанин (Г) - из производных пурина. Кроме азотистых оснований, в составе молекулы человека и животных имеется 5-метилцитозин — минорное пиримидиновое основание. С фосфорной кислотой и дезоксирибозой связываются азотистые основания. Схема строения ДНК продемонстрирована ниже.

Правила Чаргаффа

Строение и биологическая роль ДНК изучались Э. Чаргаффом в 1949 году. В ходе исследований он выявил закономерности, которые наблюдаются в количественном распределении азотистых оснований:

1. ∑Т + Ц = ∑А + Г (то есть число пиримидиновых оснований равно числу пуриновых).
2. Всегда количество остатков аденина равно количеству остатков тимина, а количество гуанина равно цитозину.
3. Коэффициент специфичности имеет формулу: Г+Ц/А+Т. Например, у человека он равен 1,5, у быка - 1,3.
4. Сумма "А + Ц" равна сумме "Г + Т", то есть аденина и цитозина имеется столько же, сколько гуанина и тимина.

Модель строения ДНК

Ее создали Уотсон и Крик. Остатки фосфатов и дезоксирибоз располагаются по хребту двух закрученных спиралеобразным образом полинуклеотидных цепей. Определено, что плоскостные структуры пиримидиновых и пуриновых оснований располагаются перпендикулярно оси цепи и образуют как бы ступени лестницы в виде спирали. Установлено также, что А всегда соединяется с Т при помощи двух водородных связей, а Г прикреплено к Ц уже тремя такими же связями. Этому явлению дали название "принцип избирательности и комплементарности".

Уровни структурной организации

Изогнутая как спираль полинуклеотидная цепь - это первичная структура, которая имеет определенный качественный и количественный набор мононуклеотидов, связанных 3’,5’-фосфодиэфирной связью. Таким образом, каждая из цепей имеет 3’-конец (дезоксирибоза) и 5’-конец (фосфатный). Участки, которые содержат в себе генетическую информацию, названы структурными генами.

Двухспиральная молекула - это вторичная структура. Причем ее полинуклеотидные цепи антипараллельны и связываются водородными связями между комплементарными основаниями цепей. Установлено, что в каждом витке этой спирали содержится 10 нуклеотидных остатков, длина ее равняется 3,4 нм. Эту структуру поддерживают также Ван-дер-Ваальсовы силы взаимодействия, которые наблюдаются между основаниями одной цепи, включающие отталкивающие и притягивающие компоненты. Эти силы объясняются взаимодействием электронов в соседних атомах. Электростатическое взаимодействие также стабилизирует вторичную структуру. Оно возникает между заряженными положительно молекулами гистонов и заряженной отрицательно нитью ДНК.

Третичная структура - это намотка цепей ДНК на гистоны или суперспирализация. Описано пять видов гистонов: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4.

Укладка нуклеосом в хроматин - это четвертичная структура, поэтому молекула ДНК, имеющая длину несколько сантиметров, может складываться до 5 нм.

Функции ДНК

Основными функциями ДНК являются:

1. Хранение наследственной информации. Последовательность аминокислот, находящихся в молекуле белка, определяется порядком, в котором расположены нуклеотидные остатки в молекуле ДНК. Также в ней зашифрована вся информация о свойствах и признаках организма.
2. ДНК способна передавать наследственную информацию следующему поколению. Это возможно из-за способности к репликации - самоудвоению. ДНК способна распадаться на две комплементарные цепочки, и на каждой из них (в соответствии с принципом комплементарности) восстанавливается исходная последовательность нуклеотидов.
3. При помощи ДНК происходит биосинтез белков, ферментов и гормонов.

Заключение

Строение ДНК позволяет ей являться хранителем генетической информации, а также передавать ее следующим поколениям. Какие есть особенности у этой молекулы?

1. Стабильность. Это возможно благодаря гликозидным, водородным и фосфодиэфирным связям, а также механизму репарации индуцированных и спонтанных повреждений.
2. Возможность репликации. Этот механизм позволяет в соматических клетках сохранять диплоидное число хромосом.
3. Существование генетического кода. При помощи процессов трансляции и транскрипции последовательность оснований, находящихся в ДНК, преобразуется в последовательность аминокислот, находящихся в полипептидной цепи.
4. Способность к генетической рекомбинации. При этом образуются новые сочетания генов, которые сцеплены между собой.

Таким образом, строение и функции ДНК позволяют ей играть неоценимую роль в организмах живых существ. Известно, что длина 46-ти молекул ДНК, находящихся в каждой клетке человека, равна почти 2 м, а число нуклеотидных пар составляет 3,2 млрд.

Двойной спирали ДНК 50 лет!

В субботу 28 февраля 1953 г. двое молодых ученых, Дж.Уотсон и Ф.Крик, в небольшой закусочной Eagle в Кембридже объявили толпе пришедших на ленч людей, что они открыли секрет жизни. Много лет спустя Одиль, жена Ф.Крика, сказала, что она, конечно, не поверила ему: приходя домой, он часто заявлял что-нибудь в этом роде, но потом оказывалось, что это ошибка. На этот раз ошибки не было, и с этого заявления началась революция в биологии, которая продолжается и по сей день.

25 апреля 1953 г. в журнале Nature появились сразу три статьи по структуре нуклеиновых кислот. В одной из них, написанной Дж.Уотсоном и Ф.Криком, была предложена структура молекулы ДНК в виде двойной спирали. В двух других, написанных М.Вилкинсом, А.Стоксом, Г.Вилсоном, Р.Франклин и Р.Гослингом, были приведены экспериментальные данные, подтверждающие спиральную структуру молекул ДНК. История открытия двойной спирали ДНК напоминает приключенческий роман и заслуживает хотя бы краткого изложения.

Важнейшие представления о химической природе генов и матричном принципе их воспроизводства были впервые четко сформулированы в 1927 г. Н.К. Кольцовым (1872–1940). Его ученик Н.В. Тимофеев-Ресовский (1900–1981) воспринял эти идеи и развил их как принцип конвариантной редупликации генетического материала. Немецкий физик Макс Дельбрюк (1906–1981; Нобелевская премия 1969 г.), работавший в середине 1930-х гг. в Химическом институте кайзера Вильгельма в Берлине, под влиянием Тимофеева-Ресовского заинтересовался биологией настолько, что бросил физику и стал биологом.

В течение долгого времени, в полном соответствии с определением жизни, данным Энгельсом, биологи считали, что наследственным веществом являются какие-то особые белки. О том, что нуклеиновые кислоты могут иметь к генам какое-то отношение, никто и не думал – слишком уж они казались простыми. Так продолжалось до 1944 г., когда было сделано открытие, коренным образом изменившее все дальнейшее развитие биологии.

В этом году была опубликована статья Освальда Эйвери, Колина Маклеода и Маклина Маккарти о том, что у пневмококков наследуемые свойства передаются от одних бактерий другим с помощью чистой ДНК, т.е. именно ДНК является веществом наследственности. Затем Маккарти и Эйвери показали, что обработка ДНК расщепляющим ее ферментом (ДНКазой) приводит к потере ею свойств гена. До сих пор непонятно, почему это открытие осталось не отмеченным Нобелевской премией.

Незадолго до того, в 1940 г., Л.Полинг (1901–1994; Нобелевские премии 1954 и 1962 гг.) и М.Дельбрюк разработали концепцию молекулярной комплементарности в реакциях антиген-антитело. В те же годы Полинг и Р.Кори показали, что полипептидные цепи могут образовывать спиральные структуры, а несколько позже, в 1951 г., Полинг разработал теорию, позволявшую предсказывать виды рентгенограмм для различных спиральных структур.

После открытия Эйвери с соавторами, несмотря на то, что сторонников теории белковых генов оно не убедило, стало ясно, что необходимо определить структуру ДНК. Среди понявших значение ДНК для биологии началась гонка за результатами, сопровождавшаяся жесткой конкуренцией.

Рентгеновская установка, применявшаяся в 1940-х гг. для изучения кристаллической структуры аминокислот и пептидов

В 1947–1950 гг. Э.Чаргафф на основании многочисленных экспериментов установил правило соответствия между нуклеотидами в ДНК: количества пуриновых и пиримидиновых оснований одинаковы, причем количество адениновых оснований равно количеству тиминовых, а количество гуаниновых оснований – количеству цитозиновых.

Первые структурные работы (С.Ферберг, 1949, 1952) показали, что ДНК имеет спиральную структуру. Имея огромный опыт определения структуры белков по рентгенограммам, Полинг без сомнения мог бы быстро решить проблему структуры ДНК, будь у него сколько-нибудь приличные рентгенограммы. Однако их не было, а по тем, что ему удалось получить, не удавалось сделать однозначный выбор в пользу одной из возможных структур. В результате, торопясь опубликовать результат, Полинг выбрал неверный вариант: в статье, опубликованной в начале 1953 г., он предложил структуру в виде трехнитчатой спирали, в которой фосфатные остатки образуют жесткую сердцевину, а азотистые основания расположены на периферии.

Много лет спустя, вспоминая историю открытия структуры ДНК, Уотсон заметил, что «Лайнус [Полинг] не заслуживал того, чтобы угадать правильное решение. Он не читал статей и ни с кем не разговаривал. Более того, он даже забыл собственную статью с Дельбрюком, в которой говорится о комплементарности репликации генов. Он думал, что сможет определить структуру только потому, что такой умный».

Когда Уотсон и Крик начали работу над структурой ДНК, уже многое было известно. Оставалось получить надежные рентгеноструктурные данные и интерпретировать их на основании уже имевшихся тогда сведений. Как все это происходило, хорошо описано в известной книге Дж.Уотсона «Двойная спираль», хотя многие факты в ней изложены весьма субъективно.

Дж.Уотсон и Ф.Крик на пороге великого открытия

Конечно, для того, чтобы построить модель двойной спирали, нужны были обширные знания и интуиция. Но не будь совпадения нескольких случайностей, модель могла появиться несколькими месяцами позже, а ее авторами могли быть другие ученые. Вот несколько примеров.

Розалинда Франклин (1920–1958), работавшая с М.Вилкинсом (Нобелевская премия 1962 г.) в Кингс-колледже (Лондон), получила высочайшего качества рентгенограммы ДНК. Но работа эта ее интересовала мало, она считала ее рутинной и не спешила делать выводы. Этому способствовали ее плохие отношения с Вилкинсом.

В самом начале 1953 г. Вилкинс без ведома Р.Франклин показал Уотсону ее рентгенограммы. Кроме того, в феврале того же года Макс Перутц показал Уотсону и Крику годовой отчет Совета по медицинским исследованиям с обзором работ всех ведущих сотрудников, включая Р.Франклин. Этого оказалось достаточно, чтобы Ф.Крик и Дж.Уотсон смогли понять, как должна быть устроена молекула ДНК.

Рентгенограмма ДНК, полученная Р.Франклин

В статье Вилкинса с соавторами, опубликованной в том же номере Nature , что и статья Уотсона и Крика, показано, что, судя по рентгенограммам, структура ДНК из разных источников примерно одинакова и представляет собой спираль, у которой азотистые основания расположены внутри, а фосфатные остатки снаружи.

Статья Р.Франклин (с ее студентом Р.Гослингом) была написана в феврале 1953 г. Уже в начальном варианте статьи она описала структуру ДНК в виде двух коаксиальных и сдвинутых друг относительно друга вдоль оси спиралей с азотистыми основаниями внутри и фосфатами снаружи. По ее данным, шаг спирали ДНК в форме В (т.е. при относительной влажности >70%) составлял 3,4 нм, и на один виток приходилось 10 нуклеотидов. В отличие от Уотсона и Крика, Франклин не строила моделей. Для нее ДНК была не более интересным объектом исследования, чем каменный уголь и углерод, которыми она занималась во Франции до приезда в Кингс-колледж.

Узнав о модели Уотсона–Крика, она от руки дописала в окончательном варианте статьи: «Таким образом, наши общие представления не противоречат модели Уотсона и Крика, приведенной в предыдущей статье». Что и не удивительно, т.к. эта модель была основана на ее экспериментальных данных. Но ни Уотсон, ни Крик, несмотря на самые дружеские отношения с Р.Франклин, никогда не говорили ей того, что спустя годы после ее смерти много раз повторяли публично, – что без ее данных они никогда не смогли бы построить свою модель.

Р.Франклин (крайняя слева) на встрече с коллегами в Париже

Р.Франклин умерла от рака в 1958 г. Многие считают, что, доживи она до 1962 г., Нобелевскому комитету пришлось бы нарушить свои строгие правила и вручить премию не трем, а четырем ученым. В знак признания заслуг ее и Вилкинса, одно из зданий в Кингс-колледже назвали «Франклин–Вилкинс», навсегда соединив имена людей, которые друг с другом почти не разговаривали.

При знакомстве со статьей Уотсона и Крика (она приведена ниже) удивляют ее малый объем и лапидарный стиль. Авторы прекрасно понимали значение своего открытия и, тем не менее, ограничились лишь описанием модели и кратким указанием, что «из постулированного … специфического образования пар сразу же следует возможный механизм копирования генетического материала». Сама модель взята как будто «с потолка» – нет никаких указаний на то, как она была получена. Не приведены ее структурные характеристики, за исключением шага и числа нуклеотидов на шаг спирали. Образование пар также описано нечетко, т.к. в то время использовались две системы нумерации атомов в пиримидинах. Статья иллюстрирована лишь одним рисунком, сделанным женой Ф.Крика. Однако для обычных биологов перегруженные кристаллографическими данными статьи Вилкинса и Франклин были трудны для восприятия, а статью Уотсона и Крика поняли все.

Позже и Уотсон, и Крик признавали, что просто боялись в первой же статье излагать все детали. Это было сделано во второй статье, озаглавленной «Генетические следствия из структуры ДНК» и напечатанной в Nature 30 мая того же года. В ней приведены обоснования модели, все размеры и детали структуры ДНК, схемы образования цепей и спаривания оснований, обсуждены различные следствия для генетики. Характер и тон изложения говорят о том, что авторы вполне уверены в своей правоте и важности своего открытия. Правда, пару Г–Ц они соединили только двумя водородными связями, но уже через год в методической статье указали, что возможны три связи. Вскоре и Полинг подтвердил это расчетами.

Открытие Уотсона и Крика показало, что генетическая информация записана в ДНК четырехбуквенным алфавитом. Но потребовалось еще 20 лет на то, чтобы научиться ее читать. Сразу же встал вопрос о том, каким должен быть генетический код. Ответ на него в 1954 г. предложил физик-теоретик Г.А. Гамов*: информация в ДНК кодируется триплетами нуклеотидов – кодонами. Это было подтверждено экспериментально в 1961 г. Ф.Криком и С.Бреннером. Затем в течение 3–4 лет в работах М.Ниренберга (Нобелевская премия 1965 г.), С.Очоа (Нобелевская премия 1959 г.), Х.Кораны (Нобелевская премия 1965 г.) и др. было определено соответствие между кодонами и аминокислотами.

В середине 1970-х гг. Ф.Сэнгер (р. 1918; Нобелевские премии 1958 и 1980 гг.), также работавший в Кембридже, разработал метод определения последовательностей нуклеотидов в ДНК. Сэнгер использовал его для определения последовательности 5386 оснований, составляющих геном бактериофага jХ174. Однако геном этого фага – редкое исключение: он представляет собой одноцепочечную ДНК.
Настоящая эра геномов началась в мае 1995 г., когда Дж.К. Вентер объявил о расшифровке первого генома одноклеточного организма – бактерии Haemophilus influenzae . Сейчас расшифрованы геномы около 100 различных организмов.

Еще недавно ученые думали, что всё в клетке определяется последовательностью оснований в ДНК, однако жизнь, по-видимому, гораздо сложнее.
Теперь хорошо известно, что ДНК нередко имеет форму, отличную от двойной спирали Уотсона–Крика. Более 20 лет назад в лабораторных экспериментах была обнаружена так называемая Z-спиральная структура ДНК. Это тоже двойная спираль, но закрученная в другую сторону по сравнению с классической структурой. До недавнего времени считалось, что Z-ДНК не имеет отношения к живым организмам, но недавно группа исследователей из Национальных институтов сердца, легких и крови (США) обнаружила, что один из генов иммунной системы активируется только тогда, когда часть его регуляторной последовательности переходит в Z-форму. Теперь предполагается, что временное образование Z-формы может быть необходимым звеном в регуляции экспресии многих генов. Обнаружено, что в некоторых случаях вирусные белки связываются с Z-ДНК и приводят к повреждению клеток.

Кроме спиральных структур ДНК может образовывать хорошо известные скрученные кольца у прокариот и некоторых вирусов.

В прошлом году С.Найдл из Института исследований рака (Лондон) обнаружил, что нерегулярные концы хромосом – теломеры, представляющие собой одиночные цепи ДНК, – могут складываться в очень регулярные структуры, напоминающие пропеллер). Сходные структуры были обнаружены и в других участках хромосом и получили название G-квадруплексов, поскольку образуются участками ДНК, богатыми гуанином.

По-видимому, такие структуры способствуют стабилизации участков ДНК, на которых они образуются. Один из G-квадруплексов был обнаружен непосредственно рядом с геном c-MYC , активация которого вызывает рак. В этом случае он может предотвращать связывание с ДНК белков – активаторов гена, и исследователи уже начали поиск препаратов, стабилизирующих структуру G-квадруплексов, в надежде, что они помогут в борьбе с раком.

В последние годы была обнаружена не только способность молекул ДНК к формированию структур, отличных от классической двойной спирали. К удивлению ученых, в ядре клетки молекулы ДНК находятся в непрерывном движении, как бы «танцуют».

Давно известно, что ДНК образует комплексы с белками-гистонами в ядре с протамином в сперматозоидах. Однако эти комплексы считались прочными и статичными. С помощью современной видеотехники удалось заснять динамику этих комплексов в реальном времени. Оказалось, что молекулы ДНК постоянно образуют мимолетные связи друг с другом и с разнообразными белками, которые, как мухи, вьются вокруг ДНК. Некоторые белки движутся с такой скоростью, что от одной стороны ядра до другой проходят за 5 с. Даже гистон Н1, наиболее прочно связанный с молекулой ДНК, каждую минуту диссоциирует и снова связывается с ней. Это непостоянство связей помогает клетке регулировать активность своих генов – ДНК постоянно проверяет наличие в своем окружении факторов транскрипции и других регуляторных белков.

Ядро, которое считалось довольно статическим образованием – хранилищем генетической информации, – на самом деле живет бурной жизнью, и от того, какова хореография его компонентов, во многом зависит благополучие клетки. Некоторые болезни человека могут быть вызваны нарушениями координации этих молекулярных танцев.

Очевидно, что при такой организации жизни ядра его разные участки неравноценны – наиболее активные «танцоры» должны быть ближе к центру, а наименее активные – к стенкам. Так оно и оказалось. Например, у человека хромосома 18, в которой всего несколько активных генов, всегда находится вблизи границы ядра, а набитая активными генами хромосома 19 – всегда вблизи его центра. Более того, движение хроматина и хромосом и даже просто взаимное расположение хромосом, по-видимому, влияет на активность их генов. Так, близкое расположение хромосом 12, 14 и 15 в ядрах клеток лимфомы мыши считают фактором, способствующим превращению клетки в раковую.

Прошедшие полвека в биологии стали эрой ДНК – в 1960-х гг. расшифрован генетический код, в 1970-х гг. получены рекомбинантные ДНК и разработаны методы секвенирования, в 1980-х гг. разработана полимеразная цепная реакция (ПЦР), в 1990 г. начат проект «Геном человека». Один из друзей и коллег Уотсона, У.Гилберт, считает, что традиционная молекулярная биология умерла – теперь все можно выяснить, изучая геномы.

Ф.Крик среди сотрудников лаборатории молекулярной биологии в Кембридже

Сейчас, просматривая статьи Уотсона и Крика 50-летней давности, удивляешься, как много из предположений оказались верными или близкими к истине – ведь у них не было почти никаких экспериментальных данных. Что касается самих авторов, пятидесятилетие открытия структуры ДНК оба ученых встречают, активно работая теперь уже в разных областях биологии. Дж.Уотсон был одним из инициаторов проекта «Геном человека» и продолжает работать в области молекулярной биологии, а Ф.Крик в начале 2003 г. опубликовал статью о природе сознания.

Дж.Д. Уотсон, Ф.Г.К. Крик, отдел по изучению молекулярной структуры биологических систем Совета по медицинским исследованиям, Кавендишская лаборатория, Кембридж. 25 апреля, 1953 г. Молекулярная структура нуклеиновых кислот Мы хотим предложить модель структуры соли дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Эта структура обладает новыми свойствами, представляющими интерес для биологии. Структура нуклеиновой кислоты уже предложена Полингом и Кори. Они любезно позволили нам ознакомиться с рукописью их статьи до публикации. Их модель состоит из трех переплетенных цепей с фосфатами, расположенными вблизи оси спирали, и азотистыми основаниями на периферии. По нашему мнению, такая структура неудовлетворительна по двум причинам. Во-первых, мы считаем, что исследуемый материал, дающий рефлексы рентгеновских лучей, является солью, а не свободной кислотой. Без кислотных атомов водорода неясно, какие силы могут поддерживать целостность такой структуры, особенно с учетом того, что отрицательно заряженные фосфатные группы вблизи ее оси будут взаимно отталкиваться. Во-вторых, некоторые из ван-дер-ваальсовых расстояний оказываются слишком малыми. Еще одна трехцепочечная структура предложена Фрейзером (в печати). В его модели фосфаты находятся снаружи, а азотистые основания, соединенные между собой водородными связями, – внутри спирали. В статье эта структура определена очень плохо и по этой причине мы не станем ее комментировать. Мы хотим предложить радикально отличающуюся от этих структуру соли дезоксирибонуклеиновой кислоты. Эта структура состоит из двух спиральных цепей, завитых вокруг общей оси. Мы исходили из обычных предположений, а именно, что каждая цепь образована остатками b-D-дезоксирибофуранозными остатками, соединенными 3",5"-связями. Эти цепи (но не их основания) соединены связями (диадами), перпендикулярными к оси спирали. Обе цепи образуют правую спираль, но, благодаря диадам, имеют противоположные направления. Каждая цепь слегка напоминает модель № 1 Ферберга тем, что основания расположены внутри спирали, а фосфаты снаружи. Конфигурация сахара и атомов вблизи него близка к «стандартной конфигурации» Ферберга, в которой сахар расположен приблизительно перпендикулярно к связанному с ним основанию. Остатки на каждой цепи расположены с шагом 3,4 А по направлению z . Мы предположили, что угол между соседними остатками составляет 36 о, так что эта структура повторяется через каждые 10 остатков, т.е. через 34 А. Расстояние от оси до атома фосфора составляет 10 А. Поскольку фосфаты расположены снаружи, они легко доступны для катионов. Вся структура открыта и содержит довольно много воды. При уменьшении содержания воды можно ожидать, что основания несколько наклонятся, и вся структура станет более компактной. Новым свойством структуры является способ, которым цепи удерживаются друг возле друга за счет пуриновых и пиримидиновых оснований. Плоскости оснований перпендикулярны оси спирали. Они попарно соединены между собой, причем одно основание на первой цепи соединено водородной связью с одним основанием на второй цепи таким образом, что эти основания расположены бок о бок друг с другом и имеют одну и ту же z -координату. Для того, чтобы образовалась связь, одно основание должно быть пуриновым, а другое пиримидиновым. Водородные связи образуются между позицией 1 пурина и позицией 1 пиримидина и между позицией 6 пурина и позицией 6 пиримидина. Предполагается, что основания входят в эту структуру только в наиболее вероятной таутомерной форме (т.е. в кето-, а не в энольной форме). Обнаружено, что только специфические пары оснований могут образовывать связи друг с другом. Эти пары таковы: аденин (пурин) – тимин (пиримидин) и гуанин (пурин) – цитозин (пиримидин). Другими словами, если аденин является одним из членов пары на любой цепи, то в соответствии с этим предположением другим членом пары должен быть тимин. То же относится к гуанину и цитозину. Последовательность оснований на одной цепи, по-видимому, ничем не ограничена. Однако, поскольку могут образовываться только определенные пары оснований, то при заданной последовательности оснований одной цепи последовательность оснований другой цепи определяется автоматически. Экспериментально обнаружено, что в ДНК отношения количества аденинов к количеству тиминов и количества гуанинов к количеству цитозинов всегда близко к единице. Вероятно, невозможно построить такую структуру с рибозой вместо дезоксирибозы, т.к. дополнительный атом кислорода делает ван-дер-ваальсово расстояние слишком малым. Опубликованные до настоящего времени рентгеноструктурные данные по дезоксирибонуклеиновой кислоте недостаточны для строгой проверки нашей модели. Насколько мы можем судить, она приблизительно соответствует экспериментальным данным, но ее нельзя считать доказанной, пока не будет проведено ее сопоставление с более точными экспериментальными данными. Некоторые из них приведены в следующей статье. Нам не были известны детали представленных в ней результатов, когда мы придумывали нашу структуру, которая основывается главным образом, хотя и не только, на опубликованных экспериментальных данных и стереохимических соображениях. Следует заметить, что из постулированного нами специфического образования пар сразу же следует возможный механизм копирования генетического материала. Все детали структуры, включая условия, необходимые для ее построения, и наборы координат атомов будут приведены в последующих публикациях. Мы очень признательны д-ру Джерри Донахью за постоянные советы и критику, особенно относительно межатомных расстояний. Нас также стимулировало общее представление о неопубликованных экспериментальных данных и идеях д-ра М.Г.Ф. Вилкинса и д-ра Р.Э. Франклин и их сотрудников в Кингс-колледже в Лондоне. Один из нас (Дж.Д.У.) получал стипендию Национального фонда детского паралича.

* Георгий Антонович Гамов (1904–1968, эмигрировал в США в 1933 г.) – один из крупнейших ученых XX в. Он автор теории тета-распада и туннельного эффекта в квантовой механике; жидко-капельной модели атомного ядра – основы теорий ядерного распада и термоядерных реакций; теории внутренней структуры звезд, показавшей, что источником солнечной энергии являются термоядерные реакции; теории «Большого взрыва» в эволюции Вселенной; теории реликтового излучения в космологии. Хорошо известны его научно-популярные книги, такие как серия книг о мистере Томпкинсе («Мистер Томпкинс в Стране чудес», «Мистер Томпкинс внутри себя» и др.), «Раз, два, три… бесконечность», «Планета под названием Земля» и др.

В материалах рубрики использованы статьи и заметки следующих изданий: «Economist» и «New Scientist» (Англия), «American Scientist», «Discover», « IEEE Spectrum», «Science News», «Scientific American Mind», и «Wired» (США), «Ça m’interesse», « Ciel et Еspace», «Le Journal du CNRS», «La Recherche» и «Science et Vie» (Франция), а также сообщения агентств печати и информация из интернета.

Фридрих Мишер в последние годы жизни.

В университете Тюбингена хранится пробирка с ДНК, выделенной Мишером.

Как правило, с молекулой ДНК связывают имена английских биологов Дж. Уотсона и Ф. Крика, открывших в 1953 году структуру этой молекулы. Однако само соединение было открыто не ими. Но первооткрыватель упоминается далеко не в каждом справочнике или учебнике.

Открыл дезоксирибонуклеиновую кислоту в 1869 году молодой швейцарский врач Фридрих Мишер, работавший тогда в Германии. Он решил изучить химический состав клеток животных, а в качестве материала выбрал лейкоциты. Этих защитных клеток, поедающих микробы, много в гное, и Мишер заручился сотрудничеством коллег из местной хирургической больницы. Ему стали привозить корзины с гнойными повязками, снятыми с ран. Мишер испытал разные способы отмывания лейкоцитов с марли бинтов и стал выделять из отмытых клеток белки. В процессе работы он понял, что кроме белков в лейкоцитах присутствует какое-то загадочное соединение. Оно выпадало в осадок в виде белых хлопьев или нитей при подкислении раствора и снова растворялось при его подщелачивании. Рассматривая свой препарат лейкоцитов под микроскопом, учёный обнаружил, что после отмывания лейкоцитов с бинтов разбавленной соляной кислотой от них остались одни ядра. И сделал вывод: неизвестное соединение содержится в ядрах клеток. Мишер назвал его нуклеином, от латинского nucleus — ядро.

О ядре клетки тогда почти ничего не знали, хотя за три года до открытия Мишера, в 1866 году, известный немецкий биолог Эрнст Геккель предположил, что ядро отвечает за передачу наследственных признаков.

Желая подробнее изучить нуклеин, Мишер разработал процедуру его выделения и очистки. Обработав осадок ферментами, переваривающими белок, он убедился, что это не белковое соединение - ферменты оказались неспособны разложить нуклеин. Он не растворялся в эфире и других органических растворителях, то есть не был жировым веществом. Химический анализ был тогда крайне трудоёмким, медленным и не очень точным, но Мишер провёл его и убедился, что нуклеин состоит из углерода, кислорода, водорода, азота и больших количеств фосфора. В то время практически не были известны органические молекулы с фосфором в их составе. Всё это убедило Мишера, что он открыл какой-то новый класс внутриклеточных соединений.

Написав статью о новом открытии, он послал её своему учителю, одному из основателей биохимии, Феликсу Хоппе-Зейлеру, издававшему журнал «Медико-химические исследования». Тот решил проверить столь необычное сообщение в своей лаборатории. Проверка заняла целый год, и Мишер уже опасался, что кто-нибудь самостоятельно откроет тот же нуклеин и опубликует результаты первым. Зато в очередном номере журнала за 1871 год статья Мишера сопровождалась двумя статьями самого Хоппе-Зейлера и его сотрудника, подтверждавшими свойства нуклеина.

Вернувшись в Швейцарию, Мишер занял пост заведующего кафедрой физиологии Базельского университета и продолжил исследования нуклеина. Здесь он нашёл другой богатый и более приятный в работе источник нового соединения - молóки лососёвых рыб (они и сейчас используются для массового получения ДНК). Рейн, протекающий через Базель, был тогда полон лососей, и Мишер сам ловил их сотнями для своих исследований.

В статье об обнаружении нуклеина в молоках, опубликованной в 1874 году, Мишер писал, что это вещество явно связано с процессом оплодотворения. Но он отверг мысль о том, что в нуклеине может быть закодирована наследственная информация: соединение казалось ему слишком простым и единообразным для хранения всего разнообразия наследственных признаков. Тогдашние методы анализа не позволяли найти существенных различий между нуклеином человека и лосося.

Позже Мишер занимался исследованием физиологии лососёвых, по заказу швейцарского правительства разрабатывал дешёвый и здоровый рацион для тюрем, написал поваренную книгу для рабочих, основал в Базеле Институт анатомии и физиологии, изучал роль крови в процессе дыхания... Ещё при его жизни нуклеин переименовали в «нуклеиновую кислоту», что очень раздражало первооткрывателя. Мишер скончался от туберкулёза в 1895 году. Почти полвека после его смерти считалось, что молекула ДНК, состоящая всего из четырёх типов блоков, слишком проста для хранения наследственной информации, и на эту роль выдвигали гораздо более разнообразные белки.

Чарльз Дарвин, разработчик теории о эволюции живых организмов, все же так и не смог дать ответ на вопрос о том, каким образом происходит закрепление изменений в структуре и функциях организма потомства. Книга Дарвина выходила в печать, когда в Чехии Грегор Мендель уже ставил новые опыты, выводы которых и стали началом дальнейшего развития науки о наследственности.

В Германии в то же самое время работал ученый-зоолог Август Вейсман, сумевший доказать, что некоторые свойства родителей, переходящие по наследству, напрямую зависят от возможности передачи первыми определенного вещества. Как считал Вайсман, данное вещество скрывалось в хромосомах.

Американский ученый Томас Морган также ставил огромное количество опытов. Им и его коллегами были оформлены основные постулаты теории хромосомной наследственности.

Как открыли ДНК

Биохимик Мишер в 1869 году выделил вещество, имеющее свойства некой кислоты. Затем ученый-химик по фамилии Левин смог доказать, что в составе выделенной кислоты имеется дезоксирибоза. Именно данный факт и дал название молекуле ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота. Левиным так же были идентифицированы четыре азотистых основания, которые образовывали состав молекулы.

В 1950-м году биохимик Чаргаф дополнил заключения Левина, когда получил результаты тестов, которые показывали, что в молекуле ДНК, имеющей четыре основания, два из них были равны по своему количеству двум другим.

Структура ДНК

В 1953 году ученые из Кэмбриджа, Уотсон и Крик, объявили, структуру ДНК. Ими было установлено, что данная молекула ДНК - спираль, которая состоит из двух цепочек, которые имеют фосфатно-сахарное основание. Была определена последовательность азотистого основания. Именно она и являлась так называемым кодом для передачи генетической информации. В 1953-м году учеными была опубликована , которая называлась «Молекулярная структура нуклеиновых кислот». В данной статье представлены результаты исследований, которые показывали, что ДНК действительно представляет собой двойную спираль.

Открытие такого уровня было признано учеными всего мира и стало «отправной точной» для дальнейших исследований. В 1962 году Уотсон и Крик получили за свои исследования Нобелевскую премию.