История открытия ДНК

    В публикации (1953) Крик и Уотсон отметили, что такая структура хорошо объясняет и процесс «воспроизводства» этой молекулы. При рассоединении цепей возможно присоединение новых нуклеотидов к каждой из них, тогда около каждой старой возникнет новая цепь, точно ей соответствующая. Так впервые пришли к структуре, способной к самовоспроизведению. Число два удовлетворило биологов, поскольку и клетки, и хромосомы воспроизводятся путем деления исходной на две.

    Третичная структура ДНК, определяемая трехмерной пространственной конфигурацией молекул, пока изучена недостаточно.

    Исследования  показали, что ДНК может существовать в двух формах: А (при низкой влажности) и В (при высокой). Для обеих  форм построили молекулярные модели. Из дифракционных картин волокон  ДНК информацию получить было достаточно трудно, так как у цепи ДНК вдоль оси расположены волокна беспорядочно, но была подтверждена ее спиральная структура. К настоящему времени исследователи научились синтезировать в необходимом количестве и получать в достаточно чистом виде короткие участки ДНК заданной последовательности, что позволяет закристаллизовать фрагменты молекулы длиной от 4 до 24 пар оснований и исследовать эти кристаллы с помощью рентгеноструктурного анализа. Исследования дали действительную похожесть обеих форм на гибкую лестницу, закрученную спирально вокруг центральной оси.[7] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 2. 

2.1 Установление строения молекул ДНК 

    Вспомним, что основными строительными  компонентами организма служат полимеры. Нуклеиновые кислоты — это тоже полимеры, хотя они сильно отличаются по своему строению от белков. Их еще называют полинуклеотидами, потому что они состоят из мономеров — нуклеотидов. Нуклеотид состоит из трех частей: основания, связанного с сахаром, который, в свою очередь, связан с фосфатом (РO4). Нуклеиновая кислота называется по сахару, который входит в ее состав; рибонуклеиновая кислота (РНК) содержит рибозу, а дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) содержит дезоксирибозу (в которой кислорода на один атом меньше). Основания представляют собой большие кольцевые молекулы с атомами азота. Нуклеотиды ДНК имеют одно из четырех оснований: аденин, гуанин, цитозин и тимин (обозначаются A, G, С и Т; в РНК тимин заменяет урацил — U). Цитозин, тимин и урацил имеют по одному кольцу атомов и называются пиримидиновыми основаниями; аденин и гуанин имеют по два кольца и называются пуриновыми основаниями (рис 1.). Атомы углерода и азота в кольцах для удобства обозначают порядковыми номерами; атомы углерода сахара — от 1' до 5'.

Рис 1 
 
 

    Полинуклеотид (ДНК или РНК) образуется посредством связывания фосфата одного нуклеотида с сахаром другого именно так, что атом углерода 3' одного нуклеотида связывается через фосфатную группу с атомом углерода 5' следующего нуклеотида (рис 2.):

Рис 2 
 
 
 
 

    Поэтому каждая молекула ДНК имеет полярность 3' --> 5', подобно тому, как белковая цепь имеет полярность от аминного конца до карбоксильного. Сами основания присоединены к одной стороне сахарофосфатного остова молекулы.

    До 1952 года обычно предполагалось, что молекулы ДНК состоят из четырех видов нуклеотидов, чередующихся в регулярном порядке, поэтому казалось, что все молекулы более или менее одинаковы и не могут переносить информацию. Но когда Эрвин Чаргафф тщательно проанализировал состав ДНК различных организмов, обнаружилось, что нуклеотиды содержатся в них не в равной пропорции, а наблюдается следующее соотношение:

    1) общее количество пуринов (А  + G) почти точно соответствует  общему количеству пиримидинов  (С + Т);

    2) количество А почти равно количеству Т, а количество G — количеству С (А = Т, G = С);

    3) отношение (А + Т) : (G + С) сильно  варьируется у разных организмов.

    В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис  Крик окончательно установили структуру  ДНК. Уотсон был учеником Лурии, членом «фаговой группы» и прекрасно знал об экспериментах Херши—Чейз. Крик был физиком, разрабатывавшим мощный аналитический метод рентгеноструктурного анализа. С помощью рентгеновских лучей можно определить структуру молекул, даже если нельзя сфокусироваться на них, как фокусируются световые лучи в микроскопе. Посылаемые на материал рентгеновские лучи отклоняются на своем пути от атомов, и по изображению, оставленному ими на фотопленке, можно предполагать, как расположены атомы в кристалле. При помощи этой техники биофизики Морис Уилкинс и Розалинда Франклин из лондонского Королевского колледжа получили рентгенограммы, указывающие на то, что ДНК имеет спиралевидную структуру — нечто вроде штопора. Уотсон и Крик попытались построить модель ДНК при помощи атомных моделей нуклеотидов. Им это удалось, потому что они объединили данные Уилкинса и Франклин с данными Чаргаффа и общей гипотезой о роли ДНК в наследственности. Уотсон рассказывает историю открытия в автобиографической книге «Двойная спираль». Чтобы получить более объективную информацию о ходе работ, эту книгу, пожалуй, лучше читать вместе с книгой Анны Сейр «Розалинда Франклин и ДНК».

    Основная  догадка Уотсона и Крика заключалась  в том, что главная роль в структуре  ДНК принадлежит основаниям, и  надо как-то учитывать правило Чаргаффа: А = Т, G = С. Они предположили, что молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей с противоположной полярностью, закрученных друг относительно друга по спирали (рис. 7.6).

    Между собой эти цепи удерживаются посредством  оснований, соединенных попарно, причем аденин может соединяться только с тимином, а гуанин — только с цитозином: 

    Между основаниями существуют слабые водородные связи, в которых слегка отрицательно заряженные атомы О и N связаны между собой посредством водорода (имеющим небольшой положительный заряд). Основания, которые связываются друг с другом, называются комплементарными друг другу; это значит, что их форма соответствует друг другу, как рука соответствует перчатке или ключ — замку. Именно комплементарность оснований определяет механизм наследственности, а через него и все основные законы биологии. Модель Уотсона и Крика объясняла правило Чаргаффа, и благодаря ей стало возможным понять, каким образом ДНК переносит генетическую информацию. Короткая заметка Уотсона и Крика в журнале «Nature» за 1953 год скромно обещала некоторые перспективы в исследовании ДНК, но в действительности произвела грандиозную революцию в науке. 

Модель  ДНК и генетика

            В отличие от работы Менделя, статья Уотсона и Крика сразу же привлекла внимание научного сообщества, поскольку она объясняла механизм наследственности. Сразу становилось понятно, что последовательность оснований ДНК может передавать информацию, то есть служить генетическим кодом. Информация обычно представляет собой последовательность, например последовательность букв и знаков препинания на письме или последовательность точек и тире в азбуке Морзе. Кроме того, генетический код должен как-то передаваться от одной копии ДНК другой в ходе деления клетки. Процесс получения двух копий (или реплик) изначальной молекулы ДНК называется репликацией, и модель Уотсона—Крика объясняет, как это возможно.

           В каждой молекуле ДНК одному нуклеотиду соответствует комплементарный ему нуклеотид, и одна цепь ДНК целиком комплементарна другой. Репликацию выполняет сложный фермент ДНК-полимераза, которая начинает разрывать двойную спираль, словно застежку-молнию, оставляя по одному основанию на каждой цепи (рис. 7.7). Здесь мы приведем лишь крайне упрощенное описание процесса. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 7.7. При репликации ДНК комплекс ферментов разъединяет  цепи двойной молекулы, и каждое открытое основание привлекает к  себе комплементарный нуклеотид. Этот процесс продолжается, пока из двух цепей не вырастут две идентичные молекулы 
 

    В действительности все происходит гораздо  сложнее, особенно если учитывать, что  цепи ДНК могут расти только с 3'-конца. Суть процесса сводится к тому, что молекулы ДНК-полимеразы движутся вдоль каждой цепи и синтезируют комплементарные цепи, образуя, таким образом, двойную спираль вместо одинарной. Каждое свободное основание связывается исключительно с комплементарным нуклеотидом. Например, открытый цитозин привлекает к себе новый гуанин, а открытый аденин — тимин. В клетке содержится достаточно свободных нуклеотидов, потому что в процессе метаболизма они образуются постоянно, и полимераза связывает парные основания вместе. Так, каждая цепь определяет формирование комплементарной ей цепи с последовательностью, идентичной последовательности прежней парной цепи. В конечном счете, получаются две спирали, идентичные начальной молекуле.

    Нуклеотидная последовательность ДНК должна хранить генетическую информацию, и последнее предположение, вытекающее из модели Уотсона-Крика, состоит в том, что мутации происходят в тех случаях, когда одно основание заменяется на другое или когда цепь рвется и перестраивается. Такое случается редко, но если происходит, то в клетке имеются механизмы исправления некоторых ошибок. Тем не менее, в каждом организме содержится огромное количество ДНК, и если вероятность вставки ошибочного основания равна только одной миллионной, то на каждые 10 миллионов оснований будет приходиться 10 ошибок, и мутация становится силой, с которой следует считаться.  

Проверка  модели

    Настоящая научная ценность модели измеряется тем, что можно на практике проверить  все выводы, к которым она приводит. Модель Уотсона-Крика не только вобрала в себя все известные факты о ДНК и наследственности, но и позволила высказать ряд новых предположений.

    Рассмотрим  репликацию ДНК с общей точки  зрения. Каждая цепь остается нетронутой, но две цепи одной молекулы расходятся, и к каждой старой цепи пристраивается новая. Это называется полуконсервативной репликацией ДНК, потому что вся родительская ДНК целиком не сохраняется, но остается каждая из ее цепей. Предположим, что начальная молекула окрашена в красный цвет, а новые нуклеотиды — в зеленый. Тогда после репликации каждая дочерняя молекула будет наполовину красной и наполовину зеленой. Если они снова подвергнутся репликации, то из получившихся молекул две по-прежнему будут наполовину красными и наполовину зелеными, а две — полностью зелеными. Обозначим изначальную молекулу сплошными линиями, а новые — прерывистыми. Получается следующая схема:

    В 1954 году Мэтью Меселсон и Франклин Сталь придумали способ проверить эти выводы. В совместной работе с Джеромом Виноградом они открыли, что густой раствор хлорида цезия (CsCl) при центрифугировании на большой скорости образует градиент плотности. Инструмент, называемый ультрацентрифуга, может развивать скорость до 60 тыс. оборотов в минуту, то есть до 1000 оборотов в секунду. Судя по тем относительно медленным центрифугам, которые бывают в парках развлечений, можно представить, какая центробежная сила образуется в мощной центрифуге. Под воздействием этой силы довольно тяжелые ионы цезия начинают перемещаться ко дну центрифужной пробирки. После нескольких часов центрифугирования в растворе CsCl образуется непрерывный градиент плотности, то есть ближе к дну плотность увеличивается, а к поверхности уменьшается. В таком растворе молекулы ДНК останавливаются в том месте раствора, плотность которого равна их плотности.

    Меселсон  и Сталь выращивали бактерии в  среде с содержанием тяжелых  изотопов азота (15N в отличие от обычного l4N). Клетки включали этот азот в свои ДНК, то есть их ДНК становились плотнее  обычных ДНК. Таким образом, эти ДНК становились мечеными («красными» в нашем примере). Потом исследователи переносили бактерии в среду с обычной концентрацией азота, и поэтому все новые ДНК, образовавшиеся после этого, имели обычную плотность (в нашем примере «зеленые»). Через различные интервалы времени исследователи подвергали пробы ДНК центрифугированию в растворе CsCl и определяли их плотность (в ультрацентрифуге были оптическая система и фотокамера). Сначала все ДНК были плотными. После первого деления они стали наполовину плотными. После второго деления половина ДНК была наполовину плотной и половина ДНК была легкой. Именно так и должна была вести себя ДНК согласно модели Уотсона—Крика.

    Второй  вывод заключался в том, что при  репликации ДНК должна наблюдаться  «развилка». Две цепи не могут разделяться сразу по всей длине; они разрываются с какого-то конца, и к разъединившимся участкам пристраиваются новые цепи. Молекулы ДНК можно разглядеть при помощи авторадиографии — метода, при котором регистрируют распределение радиоактивных изотопов в молекуле. При этом часто используют тритий (3Н), изотоп водорода, потому что его атомы при распаде испускают электроны с малой энергией, которые легко поглощаются многими веществами. Если такой электрон попадает на фотографическую пленку или гель, то на ней остается темное пятно, указывающее на местоположение атома трития. Изображение, полученное от распада многих атомов, называется авторадиографией, потому что радиоактивное вещество как бы само себя фотографирует.