Почему работа советских биологов заставила иначе посмотреть на центральную догму молекулярной биологии, благодаря кому сложился «нуклеиновый пазл» и как открывали разные типы РНК, рассказывает рубрика «История науки».

Считается, что молекулярная биология началась в 1953 году, когда американские биохимики Джеймс Уотсон и Френсис Крик открыли двойную спираль ДНК. И она действительно началась именно с этого гениального открытия. Но если говорить о рибонуклеиновой кислоте (РНК) и дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК), то они интересовали ученых задолго до этого исторического момента.

Правда, ученые не до конца понимали, что делают эти молекулы. Считалось, что РНК представляет собой компонент растений, а ДНК — животных. О генетических функциях этих молекул никто в то время даже не помышлял. В 30-х годах прошлого века, когда Александр Спирин не то что академиком не был, но даже и до школы еще не дорос, советский биохимик Андрей Белозерский, который позже стал учителем нашего героя, своими экспериментами доказал, что ДНК и РНК — два универсальных типа нуклеиновых кислот, которые присущи всем царствам живого мира.

Спирин считает, что именно эта работа подтолкнула ученых к мысли о том, что ДНК представляет собой некий архив генетической информации, а РНК выступает в роли посредника, воспринимающего эту информацию от ДНК и на ее основе осуществляющего биосинтез белков. Химию этих кислот изучили довольно хорошо, сходства и различия между ними ученые тоже нашли.

Например, различие было в типах нуклеотидов — сложных химических групп, которые представляют собой специфические разновидности фосфорных эфиров и входят в структуру ДНК и РНК. Как известно, «алфавит» архивов, хранящихся в ДНК, состоит из четырех «букв», то есть хранится в виде последовательности, составленной четырьмя видами нуклеотидов: аденин (А), цитозин (С), тимин (Т) и гуанин (G). У РНК похожий алфавит, три буквы которого совпадают с алфавитом ДНК, только буквы Т, то есть тимина, там нет, а есть буква U, обозначающая урацил.

Впрочем, все эти сходства и различия, а также все удивительные свойства этих алфавитов (главным образом в отношении ДНК) понимания происходящего не давали, пока Уотсон и Крик не выступили с заявлением о двойной спирали ДНК, благодаря которой нуклеиновый пазл великолепно сложился.

Так, с эры ДНК, началась молекулярная биология. Одновременно с ее появлением окончательно сформировалась схема «ДНК —> РНК —> белок», которая получила название центральной догмы молекулярной биологии. Догма эта ставила ДНК в позицию главной молекулы жизни, а роль РНК сводилась к функции посредника. Ее производили по матрицам ДНК, а она, в свою очередь, в соответствии с этими матрицами синтезировала заданный белок.

Здесь на сцену входит Александр Спирин. В 1956 году он, двумя годами ранее закончивший биолого-почвенный факультет МГУ, поступивший в институт биохимии АН СССР и ставший аспирантом Андрея Белозерского, решает со своим шефом экспериментально проверить установившиеся тогда взгляды на степень соответствия ДНК и РНК. Для начала они убедились, что количественный состав четырех нуклеотидов различных организмов может сильно отличаться. Поскольку РНК представляет собой копию ДНК, то в РНК должно наблюдаться такое же или, по крайней мере, сходное с ним количественное соотношение нуклеотидов. Результат их анализов оказался совершенно неожиданным: нуклеотидные соотношения в РНК для разных видов организмов различались между собой намного менее выраженно, чем те же соотношения в ДНК.

Это могло значить только одно: существуют разные РНК. Небольшая их часть действительно должна быть копией соответствующей ДНК, а основная никакого отношения к копированию ДНК не имеет и, стало быть, выполняет совершенно другие функции.

Результат работы Белозерского и Спирина оказался для всех чем-то вроде холодного душа. Он не отменял упомянутой выше центральной догмы, но существенно ее корректировал.

В 1959 году Френсис Крик так описал этот начальный период становления молекулярной биологии: «Проблема кодирования прошла к настоящему времени три фазы. На первой, фазе блужданий, были сделаны различные предположения, но ни одно не было достаточно точным, чтобы его опровергнуть. Вторая фаза, оптимистическая, была инициирована в 1954 году Гамовым, который был достаточно смелым, чтобы предложить довольно точный код. Это стимулировало целый ряд исследователей, стремившихся показать, что его предположения неверны, и тем самым они несколько подняли точность мышления в этой области. Третья фаза, фаза замешательства, была инициирована статьей Белозерского и Спирина в 1958 году. … Данные, представленные там, показывали, что наши представления по многим важным аспектам были чересчур упрощенными…».

Получалось, что в синтезе белков участвуют как минимум два типа РНК: информационная РНК (ее назвали матричной, мРНК), которая в полном соответствии с центральной догмой является копией ДНК, ее матрицей, генеральным планом, определяющим последовательность действий при синтезе того или иного белка, и намного более высокополимерная РНК, для всех живых организмов примерно одна и та же, которая собственно и приводит этот план в жизнь.

Работы Спирина подтвердили эту догадку и выявили множество характерных для матричных и некодирующих РНК особенностей. В 1967 году на свет появился инициированный Спириным и организованный им и его коллегами Институт белка АН СССР, где эти работы продолжились. Работы этого института вместе с работами зарубежных лабораторий в конце концов прояснили картину того, как именно синтезируются белки, и подвели к понятию рибосомы — существующего в клетке сложного молекулярного образования, ассоциата двух разных типов РНК, представляющего собой молекулярную машину, которая синтезирует белок по программе, записанной в мРНК.

Исследования РНК, проведенные с тех пор в Институте белка и других лабораториях, как наших, так и зарубежных, привели к рождению целой серии открытий. Выяснилось, например, что существуют и другие типы РНК, например транспортная, чья роль сводится к транспортировке нужных аминокислот к месту синтеза белка. Выяснилось также, что РНК способна выполнять некоторые функции белков, пусть не так эффективно, как это делают они сами, зато может, в отличие от белков, самовоспроизводиться. На рубеже столетий ученые предположили, что на самом деле именно РНК, а не ДНК — главные молекулы жизни. Они появились раньше, чем молекулы ДНК, которые, по сути, являются лишь производными от РНК.

По словам Спирина, РНК-мир, предшествовавший появлению ДНК, был миром доклеточной жизни и, вероятно, существовал около полумиллиарда лет, начавшись примерно четыре миллиарда лет назад.

Остается много загадок, еще не решенных сегодня. Например, так и остается неясным, каким образом появились такие сложные молекулярные образования, как РНК. Несколько лет назад Александр Спирин рассказывал автору этих строк, что он потратил два года на то, чтобы понять, сколько времени может занять процесс случайного перебора и перестановок для того, чтобы возникло что-то похожее на первоначальную РНК. Он утверждал, что в результате у него вышла несусветная цифра, огромное количество миллиардов лет, намного превышающее срок жизни нашей Вселенной. Возможно, РНК вообще не могла появиться за отмеренные нам 13-14 миллиардов лет вселенской истории.

«Я не знаю, почему так, — сказал он тогда. — Возможно, во Вселенной существуют условия и протекают процессы, о которых мы сегодня и понятия не имеем».