Двойная спираль. Забытые герои сражения за ДНК - Гарет Уильямс

путь вверх. Если увеличить ее в масштабе до ширины винтовой лестницы в средневековой башне, – такой, как в замке, где она была открыта, – ДНК из ядра одной клетки растянется более чем на три миллиона километров, то есть в восемь раз больше расстояния до темной стороны Луны.

В этой книге еще рано начинать углубляться в недра молекулярной генетики, но приятная прогулка по короткому отрезку генома человека поможет обрисовать картину. Для начала найдите 17-й хромосому и идите вдоль нее, пока не дойдете до основания номер 43 044 295, затем вырежьте отрезок, который начинается здесь и заканчивается через 125 951 основание. Возможно, вы помните, что это ген, мутация которого приводит к наследственному раку молочной железы, BRCA1. Увеличьте эту последовательность до ширины средневековой винтовой лестницы, встаньте на ее конце и взгляните, как она скомпонована (Рис. 1.1).

Вы сразу же заметите, что две спирали, идущие параллельно друг другу, красивы, но неинтересны. Они обе сделаны из одних и тех же двух компонентов, соединены вместе и повторяются до бесконечности: химическое соединение, называемое «фосфат», поскольку в основе его лежит атом фосфора, и маленькая молекула сахара (дезоксирибоза), по которому названа сама ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Возможно, монотонная структура спиралей не кажется достаточно красноречивой, чтобы составить генетический код, которому как-никак нужно содержать достаточно букв для написания правил для миллионов различных молекул. На самом деле, винтовые линии играют исключительно конструктивную роль, каждая из них выполняет функцию скелета, позволяющего спирали сохранить форму. Магия двойной спирали заключается в постоянном интервале, разделяющем два спиральных остова. Если поставить молекулу вертикально, вы увидите, что пространство между спиралями заполняется горизонтальными ступеньками, расположенными через регулярные интервалы, при этом на каждый полный поворот лестницы приходится 10 ступенек. При внимательном рассмотрении вы увидите, что все ступеньки сделаны по одному замыслу, но нельзя точно предсказать, какая конструкция будет у конкретной ступеньки. Каждая ступенька состоит из двух разных частей, каждая из которых прочно прикреплена к спиральному остову и которые соединяются в середине. Вы вскоре заметите, что есть только четыре разные половины ступеньки, при этом две из них короткие, а две – длинные. Чтобы сохранять постоянное расстояние между спиральными остовами, все ступеньки должны быть одинаковой длины. Этого можно добиться, только если делать каждую ступеньку из одной короткой и одной длинной половины ступеньки; ступенька, сделанная из двух коротких или двух длинных частей, приведет к тому, что элегантные винтовые элементы будут прогибаться или выпячиваться, нарушая всю красоту и функциональность двойной спирали.

Рис. 1.1. Молекула ДНК, изображенная в виде винтовой лестницы с остовом и без него. Справа: четыре возможные ступени; A и T всегда идут вместе, так же как C и G.

Проделывая путь по большему набору ступеней – по такому количеству, которое вы захотите рассмотреть, – вы заметите, что конструкция каждой ступени непредсказуема, но не совсем произвольна. Это потому, что молекула всегда подчиняется простому правилу: каждая их двух коротких половин ступеньки может соединяться с одной определенной длинной. Если мы обозначим (не совсем произвольно) короткие половины ступенек C и T, а длинные половины – A и G, то A всегда соединяется с T, а G – с C.

Из этого правила следует, что если вы видите только половины ступенек, крепящиеся к одному из спиральных остовов, то вы можете абсолютно точно предсказать, какие половины ступенек соединяются с противоположным спиральным остовом. Например, если последовательность половин ступенек с одной стороны представляет собой C, затем A, T и, наконец, G, то с другой стороны им будут соответствовать только половины ступенек G, T, A и C, именно в таком порядке. Половины ступенек представляют собой плоские геометрические молекулы, называемые основаниями; незыблемое правило, что C соединяется с G, а A – с T, таким образом, называется «спариванием оснований». Открытие данного феномена было признано заслуживающим Нобелевской премии, что представляется обоснованным, поскольку этот принцип лежит в основе генетических механизмов, которые делает каждого из нас тем, кто мы есть.

Пока вы усваиваете эту информацию, вы можете взглянуть поближе на ген BRCA1. Поднимитесь на самый верх и встаньте на верхнюю ступеньку. Если вы боитесь высоты, не смотрите вниз: до низа более 67 километров. Теперь спускайтесь вниз по лестнице равномерно на одну ступеньку за секунду. Спуск нельзя назвать комфортным, поскольку расстояние между ступенями свыше 30 сантиметров, и чтобы дойти до низа, потребуется около 35 часов. Если начать спуск в 9 утра, то через 45 секунд после 10:28 вы будете на 5325-й ступеньке сверху. Половина ступеньки, крепящаяся к спиральному остову слева от вас, будет A, потому что такова версия BRCA1 у тех, кому повезло. В случае молодой женщины, напряженно ожидающей, когда ей дадут заключение в клинике генетической консультации, вместо этого A было G. Это единственное отличие между теми, кому повезло и кому не повезло; каждая из остальных 125 950 ступенек абсолютно идентичны у тех и других.

Блокбастер

Двойная спираль отражает «строение дезоксирибозной нуклеиновой кислоты», как Дж. Д. Уотсон и Ф. Х. К. Крик из Кавендишской лаборатории в Кембридже предположили в своей краткой работе[7], опубликованной в журнале Nature 25 апреля 1953 года. Их заявление, что такая структура обладает «новыми свойствами, которые представляют значительный биологический интерес», полностью подтвердилось. Двойная спираль и спаривание оснований произвели революцию в нашем понимании механизмов жизни и наследственности. Их открытие стало воплощением сложных задач и славных триумфов науки и считается одним из ключевых моментов в биологии.

Этот момент запечатлен на черно-белой постановочной фотографии 1950-х годов, где два исследователя показаны вместе со своим открытием. Фрэнсис Крик, еще моложавый, но уже лысеющий, стоит справа, указывая на модель двойной спирали логарифмической линейкой, раздвинутой, как будто он выполняет вычисления. Напротив него сидит Джим Уотсон, неуклюжий и поразительно молодой, он глядит на результат их работы снизу вверх, раскрыв рот, как будто фотограф велел ему смотреть на свое создание с благоговейным ужасом. А металлическое причудливое сооружение, напоминающее паука и стоящее на лабораторной скамье между ними, – это то, что обеспечило им Нобелевскую премию и почетные места среди величайших ученых всех времен.

События, приведшие к этой фотографии и статье в журнале Nature, начались с того, что Уотсон выявил связь, которую не заметили все остальные. Он разглядел, как два типа оснований – одно короткое, одно длинное – могут проходить через промежуток между двумя спиральными