История химии

Копировальное устройство живой клетки

Нобелевская премия по химии 2006 года

Роджер Корнберг (род.1947)

Американский химик, профессор медицины Медицинской школы Стэндфордского университета (США) Роджер Корнберг "сфотографировал" процесс копирования генетической информации в клетке, за что удостоен Нобелевской премии по химии 2006 года.

Генетическая информация  о структуре белков, из которых построены все живые организмы, хранится в молекуле ДНК. Но  сама молекула ДНК не принимает непосредственного участия в синтезе белка – с нее снимается молекулярная копия. Процесс копирования называется транскрипцией. "Слепком" генетического кода служит молекула информационной РНК,  которая используется клеткой в качестве матрицы для синтеза белка.

Механизм транскрипции для простейших организмов, не имеющих ядра (бактерий, вирусов, микоплазм), описан более 40 лет назад. Ключевую роль в нем играет фермент РНК-полимераза, который расщепляет двухцепочечную молекулу ДНК и на ее основе синтезирует молекулу РНК из имеющихся в клетке нуклеотидов. Долгое время считалось,  что транскрипция  протекает аналогичным образом и в клетках, имеющих ядра.  Но затем оказалось, что в ядерных клетках, то есть у всех живых существ от дрожжей до человека, механизм транскрипции гораздо сложнее, чем в безъядерных.

В конце 1970-х годов удалось установить, что помимо ДНК, РНК-полимеразы и собственно продукта копирования  -- молекулы РНК, "копировальное устройство" клетки включает в себя еще пять так называемых основных факторов транскрипции – белковых комплексов, без которых копирование невозможно. Кроме того, были открыты "промоторы" - участки ДНК, с которых РНК-полимераза начинает считывать генетическую  информацию.

Все компоненты системы были известны, но оставалось непонятным, как "работает" молекулярное копировальное устройство. В конце 1980-х годов Роджер Корнберг решил воспроизвести систему транскрипции в пробирке и смоделировать ее пространственную структуру. В качестве объекта исследований  он выбрал дрожжи. Однако система из РНК-полимеразы и факторов транскрипции синтезировала информационную РНК, но не реагировала на добавление веществ, активирующих определенные гены. Оказалось, что в системе не хватает еще одного важного элемента – комплекса из нескольких белковых молекул, который Корнберг назвал медиатором. Теперь, когда все компоненты системы были собраны воедино, оставалось "всего лишь" воссоздать пространственную структуру системы транскрипции. На это у исследовательской группы Корнберга ушло десять лет.

Роджеру Корнбергу  удалось заставить бактерии синтезировать белки, участвующие в транскрипции. После процедур выделения, очистки и наработки больших количеств белков ученым удалось самое сложное – вырастить  из них плоские белковые кристаллы, а затем получить электронные и рентгеновские дифракционные изображения кристаллических структур. На основании снимков с помощью компьютерной программы ученые рассчитали пространственное расположение атомов в молекулах и смоделировали детальную  пространственную картину синтеза РНК.

Прорыв произошел в 2001 году. Тогда в журнале "Science"  была опубликована пространственная структура РНК-полимеразы из дрожжей, а также структура ее комплекса с ДНК и продуктом реакции – информационной РНК. Дальнейшие работы Корнберга были посвящены расшифровке структуры "копировального устройства" на различных стадиях процесса с "участием" пяти факторов транскрипции. В результате получилась целостная динамическая картина копирования генетической информации. Теперь осталось только получить кристаллы медиатора и дополнить структуру этим необходимым компонентом.  Только тогда сверхзадачу – получить фотографию "копировального устройства клетки" можно будет считать выполненной.

Интересно, что отец Роджера Артур Корнберг также был удостоен Нобелевской премии (по физиологии и медицине) в 1959 году за открытие механизма передачи генетической информации от материнской клетки к дочерней. Это уже восьмой случай раз в истории Нобелевской премии, когда звание лауреата  переходит  "по наследству" от родителей к детям.

"Копировальное устройство" внутри клетки  по Роджеру Корнбергу

Копирование генетической информации с молекулы ДНК (на рисунке она показана синим цветом) происходит поэтапно.  Производит копирование фермент РНК-полимераза (белый цвет). Она "узнает" начало  подлежащего копированию участка, обхватывает молекулу ДНК в нужном месте, "расплетает" двойную спираль и копирует, начиная с этого места, одну из цепей ДНК, последовательно присоединяя  нуклеотиды к образующейся молекуле РНК. Процесс копирования протекает в крохотной полости внутри фермента, в которую помещается только один нуклеотид. Это позволяет избежать ошибок при считывании информации. Как только очередной нуклеотид-"кирпичик" становится на место, цепочка ДНК проталкивается вперед с помощью небольшой спиральной структуры-"пружинки" (зеленый цвет) в молекуле полимеразы. Передвинув ДНК на один шаг, "пружинка" возвращается обратно. Растущая РНК-цепочка (красный цвет) отходит от матрицы и двойная спираль ДНК позади фермента восстанавливается. Когда РНК-полимераза достигает конца копируемого участка,  образовавшаяся молекула информационной РНК отделяется от "копировального устройства".

Кандидат химических наук Т. ЗИМИНА
По пресс-релизу Нобелевского комитета
"Наука и жизнь" № 11, 2006 г.