Химия гена: днк или белок?

Биологи давно знали, что наследственность связана с клеточным ядром и, в частности, с хромосомами (рис. 8-1). Хромосомы эукариот представляют собой комплексы ДНК и белка, которые при соответствующем окрашивании под световым микроскопом имеют вид тонких нитей. Поскольку исследователи установили, что именно хромосомы являются носителями генетической информации, то проблема долгое время сводилась к следующему: белок или ДНК играют основную роль в наследственности?

В начале 50-х годов было накоплено много данных в пользу ДНК как носительницы генетической информации, а именно: (?) методом специфического окрашивания было показано, что ДНК присутствует в хромосомах всех клеток и что основное количество ее находится именно в хромосомах; (2) клетки тел растений и животных содержат вдвое больше ДНК, чем их гаметы; (3) как показано в табл. 8-1, соотношение пуринов и пиримидинов варьирует от вида к виду (подобные вариации существенны для молекул, с которыми связан «язык жизни»). Еще более важно, что количество гуанина в ДНК всегда равно количеству цитозина, а количество аденина количеству тимина.

Эти соотношения, получившие известность как правила Чаргаффа, сыграли огромную роль в разгадке процесса наследственности; (4) с помощью ДНК, выделенной из одних бактериальных клеток, можно изменить генетические признаки других бактерий (рис. 8-2); (5) при заражении бактериальных клеток бактериофагами в клетку проникает только ДНК; она контролирует образование новых вирусных частиц (рис. 8-3). Несмотря на изложенные выше факты, генетическая роль ДНК оставалась непонятной, до тех пор пока не была установлена ее структура.

В 1951 г. американский генетик Джеймс Д. Уотсон приехал в Англию, где договорился о совместной работе с Фрэнсисом Криком в Лаборатории Кавендиша в Кембридже. Уотсон и Крик были из числа ученых, убежденных в том, что ДНК, а не белок представляет собой основное вещество наследственности. По словам Уотсона, ДНК «самая золотая из всех молекул».

Свои исследования организации молекулы ДНК Уотсон и Крик частично основывали на представлении о генах, хромосомных единицах наследственности, которое уже сложилось к этому времени. Они знали: чтобы ДНК могла быть генетическим материалом, она должна отвечать по крайней мере четырем требованиям.

1. Переносить генетическую информацию от клетки к клетке и от поколения к поколению; более того, она должна нести большое количество информации. (Подумать только, как много должно содержаться инструкций в наборе генов, которые управляют развитием слона, дерева или даже бактерии.)

2. Удваиваться перед каждым клеточным делением подобно тому, как это делают хромосомы; более того, она должна реплицироваться с большой точностью. (Из накопленных данных о частоте мутаций, например у человека, мы знаем, что любой человеческий ген должен копироваться без малейшей ошибки в среднем в течение миллионов лет.)

3. С другой стороны, ген должен иногда изменяться, или мутировать. (Когда ген меняется, т. е. совершается ошибка, то должна копироваться «ошибка», а не первоначальная последовательность. Это наиболее важное свойство, вероятно, уникальное для всех живых существ, поскольку без способности копировать «ошибки» не может быть эволюции путем естественного отбора.)

4. Должен существовать некий механизм «считывания» накопленной информации и преобразования ее в живом организме.

Уотсон и Крик хорошо понимали, что молекула ДНК может быть генетическим материалом только в том случае, если будет доказано, что ее размер, конфигурация и сложность достаточны, чтобы кодировать и копировать огромное количество информации, в которой нуждаются живые организмы. В своей работе Уотсон и Крик использовали информацию, полученную ранее на основе биохимических исследований ДНК, в том числе следующие данные:

1. Молекула ДНК очень крупная, кроме того, длинная и тонкая.

2. Три ее компонента (азотистое основание, сахар и фосфат) образуют нуклеотиды, как показано на рис. 3-19.

3. Розалинд Франклин и Морис Уилкинс из Королевского колледжа в Лондоне исследовали дифракцию рентгеновских лучей, проходящих через препараты ДНК, и обнаружили, что ее длинные молекулы состоят из регулярно повторяющихся единиц, которые, по-видимому, расположены по спирали.

4. Как показано в табл. 8-1, отношение нуклеотидов, содержащих аденин и тимин, составляет 1:1, т. е. точно такое же, как между нуклеотидами, содержащими гуанин и цитозин. Уотсон и Крик не проводили экспериментальных исследований, но собрали воедино все известные сведения о структуре ДНК. В своей работе они использовали все указанные выше экспериментальные данные и попытались построить металлическую модель ДНК, соответствующую физическим и химическим данным о ее структуре (рис. 8-4, А).

Самым важным, с их точки зрения, был вопрос: каким образом химическая структура ДНК отражает ее биологическую функцию? Вспоминая свои исследования, Уотсон писал: «В моменты пессимистического настроения мы часто опасались, что правильная структура будет скучной, т. е. абсолютно ничего не значащей». На деле же структура ДНК оказалась невероятно «увлекательной».

_{П. Рейвн, Р. Эверт, С. Айкхорн, Современная ботаника В 2-х томах, Том 1, Перевод с английского канд. биол. наук В. Н. Гладковой, проф. М. Ф. Даниловой, д-ра биол. наук И. М. Кислюк, канд. биол. наук Н. С. Мамушиной под редакцией акад. А. Л. Тахтаджяна}

AOF | 18.11.2020 16:51:09