Глава 3. Система включение гена

Однажды в июле 1958 г. Франсуа Жакоб сидел в парижском кинотеатре и изнывал от беспокойства. Его жена Лиз по опыту знала, что у мужа вот — вот родится какая‑то неожиданная идея. Они вышли из зрительного зала и направились домой.

— Кажется, я только что придумал кое‑что важное, — сказал Франсуа жене.

— Расскажи! — попросила она.

В тот момент Жакобу, как он позже писал, казалось, что ему удалось добраться «до самой сути вещей». Он вдруг понял, как гены взаимодействуют между собой и как они делают жизнь возможной.

Надо сказать, что Жакоб давно мечтал о подобном озарении. Хирург по образованию, он бежал из Парижа после прихода нацистов и следующие четыре года служил в медицинской роте союзников, участвовал в боях в Северной Африке. Ранение и контузия положили конец его планам стать хирургом, и после войны, вновь оказавшись в Париже, молодой человек просто не знал, как ему распорядиться своей жизнью. Он поступил на работу в лабораторию по разработке антибиотиков и неожиданно почувствовал интерес к научным исследованиям. Но Жакоб хотел не просто найти новое лекарство, он решил посвятить себя изучению «сути жизни». В 1950 г. Жакоб пришел на работу в Институт Пастера и присоединился к команде биологов, упорно работавших в мансарде института с E. coli и другими бактериями.

Жакоб пришел в науку, не имея собственного плана исследований, но в конце концов он занялся двумя кусочками глобальной биологической головоломки: вопросом о том, почему гены иногда активны, а иногда нет. Несколько лет Жакоб изучал умеренных бактериофагов — вирусы, которые умеют «растворяться» в клетке хозяина — бактерии, а потом, спустя несколько поколений, появляться вновь. Вместе с Эли Вольман Жакоб продемонстрировал, что такие бактериофаги на самом деле встраивают свои гены в ДНК E. coli. Ученые позволяли инфицированным бактериофагами бактериям вступить в конъюгацию с неинфицированными, а затем их разделяли. Если конъюгация прекращалась слишком быстро, передачи профага[11]не происходило. Эксперименты показали, что профаг стабильно встраивается в одно и то же место хромосомы E. coli. Гены вируса уютно устраивались между генами клетки — хозяина и «молчали» в течение нескольких поколений.

E. coli предоставила Жакобу еще одну возможность изучить гены, которые иногда работают, а иногда нет. Чтобы утилизировать определенный вид сахара, E. coli необходимо производить определенные ферменты. Так, чтобы расщеплять лактозу, бактерии необходим фермент бета — галактозидаза, способный разрезать молекулу лактозы на кусочки. Коллега Жакоба по Институту Пастера Жак Моно обнаружил, что, если давать E. coli глюкозу (а это гораздо более эффективный источник энергии для бактерии, чем лактоза), она производит бета — галактозидазу в очень малых количествах. Если добавить в питательную среду лактозу, производство фермента увеличится незначительно. Только после того, как глюкоза закончится, синтез бета — галактозидазы начнется всерьез.

Никто в то время не мог вразумительно объяснить, как гены E. coli или ее профагов могут то включаться, то выключаться. Прежде многие ученые считали, что синтез белков в клетке идет постоянно и непрерывно. Чтобы объяснить реакцию E. coli на лактозу, они выдвинули предположение, что на самом деле бактерия вырабатывает бета — галактозидазу постоянно, но только при реальном контакте с лактозой фермент меняет форму и приходит в то состояние, которое позволяет ему ее расщеплять.

Стремясь выяснить, что происходит на самом деле, Моно, Жакоб и их коллеги из Института Пастера начали серию экспериментов. Они выделили мутантные формы E. coli, которые по каким‑то причинам не могли утилизировать лактозу. К примеру, один из мутантов не расщеплял лактозу, хотя у него присутствовал нормальный ген, отвечающий за производство бета — галактозидазы. Ученые поняли, что E. coli использует для утилизации лактозы несколько генов. Один из них кодирует образование белка пермеазы, который встраивается в мембрану микроба, соединяется с молекулой лактозы и переносит ее внутрь клетки.

Но самыми странными среди обнаруженных мутантных форм оказались бактерии, которые производили бета — галактозидазу и пермеазу непрерывно, вне зависимости от того, имелась ли в окружающей питательной среде лактоза. Стало ясно, что у E. coli есть еще какая‑то молекула, которая в обычных условиях не допускает активации генов, отвечающих за производство бета — галактозидазы и пермеазы. Этот белок ученые назвали репрессором. Но Жакоб и его коллеги ничего не могли сказать о том, каким образом репрессор подавляет работу генов.

И вот в темном зале кинотеатра Жакоба осенило. Репрессор, решил он, — это белок, который связывается с ДНК E. coli и блокирует считывание соответствующих генов (в данном случае генов бета — галактозидазы и других, отвечающих за расщепление лактозы). По определенному сигналу, как по щелчку выключателя, репрессор прекращает блокировать гены.

Возможно, подумал Жакоб, профаги тоже блокируются каким‑нибудь репрессором. Не исключено, что эта система универсальна и работает во всех живых организмах. «Я больше не чувствую себя посредственностью и даже смертным», — писал Жакоб.

Но попытка рассказать в общих чертах о новых идеях жене принесла одно только разочарование.

— Ты мне уже об этом рассказывал, — сказала Лиз. — Это же давно известно, разве не так?

Идея Жакоба была настолько проста и элегантна, что любому человеку, не связанному с биологией, казалась самоочевидной. Тем не менее она представляла новый подход к проблеме жизни. Гены работают не по одному, а блоками.

Следующие несколько недель Жакоб пытался обсудить свои новые идеи с коллегами — биологами, но особого интереса вызвать не сумел. Благодарный слушатель у него появился только осенью, когда в Париж вернулся Моно. Вдвоем они начали рисовать на доске блок — схемы генетического механизма, обозначать стрелками входы и выходы.

Осенью 1958 г. Моно и Жакоб запустили новую серию экспериментов для проверки гипотезы Жакоба. Эксперименты дали ожидаемый результат. Но для подробного изучения работы генов, отвечающих за утилизацию лактозы, потребовались годы труда множества ученых. Оказалось, что эти гены располагаются на хромосоме E. coli общим кластером, один за другим. Белок — репрессор связывается со специальным участком ДНК в начале группы генов и блокирует работу ферментов, считывающих их. Когда репрессор связан с этим участком, E. coli не может использовать лактозу в качестве источника питания.

Лучший способ удалить репрессор, блокирующий работу генов, отвечающих за расщепление лактозы, заключается в том, чтобы добавить ее в питательную среду, на которой растут колонии E. coli. Попав внутрь бактериальной клетки, молекулы лактозы взаимодействуют с закрепившимся на хромосоме белком — репрессором. Они изменяют его форму так, что он теряет сродство к соответствующему участку ДНК, открывая доступ ферментам РНК — полимеразам, считывающим гены, которые участвуют в метаболизме лактозы. В результате E. coli получает возможность синтезировать ферменты, необходимые для утилизации лактозы.

Но E. coli нужен второй сигнал, чтобы запустить производство бета — галактозидазы на полную мощность: бактерии необходимо знать, что запасы глюкозы исчерпались. Таким сигналом служит комплекс двух молекул — циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) и белка под названием САР. В бактериальной клетке происходит накопление цАМФ, когда сильно падает уровень глюкозы.

САР связывается с цАМФ, и получившийся комплекс прикрепляется к ДНК перед генами, отвечающими за метаболизм лактозы. Этот комплекс изгибает ДНК и тем самым облегчает связывание с ней фермента РНК — полимеразы, осуществляющей считывание генов, — в результате начинается синтез РНК на матрице ДНК. Стоит комплексу цАМФ — САР связаться с ДНК, как производство ферментов, участвующих в метаболизме лактозы, разворачивается полным ходом. Получается, что репрессор выключает, а комплекс цАМФ — САР включает этот процесс.

Жакоб с коллегами окрестили гены, отвечающие за расщепление лактозы, опероном lac. Оперон — это группа функционально связанных генов, которые регулируются одними и теми же факторами. Жакоб подозревал, что опероны олицетворяют общий принцип работы генов. Сотни генов E. coli объединены в опероны, каждым из которых управляют собственные переключатели. У некоторых оперонов переключателей несколько, и для запуска производства белков все они должны сработать. Иногда одного — единственного белка оказывается достаточно, чтобы запустить целый каскад реакций, включить гены, отвечающие за производство еще каких‑нибудь переключателей, и в конечном итоге позволить E. coli изготовить сотни новых типов белков.

Вообще, включатели и выключатели встречаются в природе повсеместно. Профаги спят внутри бактерии благодаря репрессорам, которые не позволяют их генам активироваться. При воздействии стрессовых факторов репрессоры освобождают ДНК, и профаги начинают производство новых вирусов. Опероны можно обнаружить и в других бактериях. В клетках животных, таких как мы с вами, опероны, судя по всему, встречаются гораздо реже. Но даже гены, расположенные в нашем геноме не по соседству друг с другом, иногда включаются в результате действия одного и того же регуляторного белка.

Только за счет включения и выключения генов наши клетки могут вести себя по — разному — ведь геном во всех клетках организма одинаковый. Этот механизм дает им возможность стать клетками печени или частью кости, обрести чувствительность к свету или теплу. Выяснив, как E. coli пьет молоко, Жакоб и его коллеги открыли путь к пониманию того, почему мы с вами люди, а не просто амебы.