Роджер Корнберг (Roger Kornberg) – профессор Стэндфордского университета (США). В 2006 году он стал лауреатом Нобелевской премии по химии. Он мог бы стать и лауреатом премии по физиологии или премии по физике – в то время, когда были учреждены эти номинации, никто не предполагал, что грань между науками исчезнет. Награда была присуждена «за исследование молекулярных основ транскрипции эукариот» – за воссоздание структуры молекул, которые осуществляют перенос информации с ДНК на РНК у всех ядерных организмов, например у человека и дрожжей. В четверг, 14 октября, мистер Корнберг выступил в МГУ с лекцией о своей работе.

Роджер Корнберг: «Открытие и изучение молекул, лежащих в основе заболеваний, означает и возможность разработки лечения. Один из возможных путей – поиск небольших молекул, которые смогут использоваться как лекарства, влиять на мутантный белок и изменять его работу»

Зачем переносить информацию с ДНК на РНК? Для того чтобы было проще понять важность исследований Корнберга, нужно вспомнить, как происходит реализация генетической информации.

С точки зрения молекулярного биолога, который видит мир увеличенным в миллион раз, мы все состоим из длинных нитей, похожих на спагетти или на мочалку. В этом волокнистом мире происходит бурная деятельность. Спираль, опутанная вокруг небольших комочков ниток, раскручивается, вокруг неё заплетается клубок, к этой конструкции подкатываются ещё пять катушек, огромная гора ниток переходит от противоположного края спирали к тому, который опутан клубком, и вся эта конструкция из нитей, содрогаясь и поскрипывая, начинает строить ещё одну нить. Именно это называется жизнью.

Так выглядит транскрипция – синтез РНК для последующего производства белка. By Fdardel (Own work), via Wikimedia Commons

Самые известные нити – это ДНК и белки. Дезоксирибонуклеиновая кислота отвечает за хранение информации, можно назвать её текстом или инструкцией. Последовательность её нуклеотидов – ген – однозначно определяет, какой именно белок будет построен. А белки, длинные свёрнутые нити из аминокислот, осуществляют абсолютно все процессы во всех клетках: прямо сейчас белки мышц позволяют двигать курсор, белки сетчатки – видеть буквы, белки мембран нервных клеток – понимать, что написано, а белки митохондрий тем временем перерабатывают еду и кислород, чтобы обеспечить энергией все эти процессы.

Но информация, записанная в ДНК, не может использоваться для синтеза белка непосредственно. Инструкция должна быть сначала переписана на посредник – РНК, рибонуклеиновую кислоту. Именно эта небольшая нить выйдет из ядра клетки, в котором надёжно спрятаны гены, в цитоплазму, где можно строить что угодно, не опасаясь повредить этим базу данных. Этот процесс переписывания называется транскрипцией.

РНК – недооценённая молекула, она почти неизвестна широкой общественности, но, скорее всего, именно молекулы рибонуклеиновой кислоты, способные и хранить информацию, и осуществлять активные действия, были первыми полимерами первого живого – до тех пор, пока не передали ДНК и белкам часть своих функций.

Абсолютно все процессы, происходящие в клетке – рост, движение, дыхание, дифференциация, старение, – возможны благодаря непрерывному синтезу белков. Он, в свою очередь, возможен благодаря существованию РНК, которая вынесла из ядра информацию о будущей структуре белка. РНК возникает в результате деятельности фермента под названием РНК-полимераза, который прочитал последовательность нуклеотидов в гене и переписал её на другой носитель. РНК-полимеразу, а также множество других белков, участвующих в транскрипции, изучил Роджер Корнберг.

Особенно важен для современной биологии тот факт, что Корнберг изучал именно транскрипцию эукариот – живых существ, у которых процессы синтеза РНК и синтеза белка разделены в пространстве и отгорожены друг от друга ядерной оболочкой. К эукариотам относятся простейшие (амёбы, инфузории и т.д.), грибы, растения и животные. Процесс синтеза РНК у них намного сложнее, чем у бактерий, в нём участвует намного больше веществ. Но сегодня, благодаря работе Корнберга, человечество знает о процессе транскрипции очень много. Самые важные белки уже пересчитаны, поименованы и изучены до последнего атома.

Корнберг начинает свою лекцию в МГУ со слайда с благодарностями. Там перечислены имена нескольких десятков учёных, изучавших транскрипцию у эукариот. Кажется, со времени нобелевской лекции список стал ещё длиннее. Рассказывая об исследовании РНК-полимеразы, Корнберг ссылается на своих коллег через каждые два предложения. Он придаёт большое значение тому, чтобы объяснить аудитории, что современные научные открытия – это всегда результат усилий многих людей и многих лабораторий. Но Нобелевский комитет неслучайно выбрал среди десятков специалистов именно Корнберга: очень многие вещи, вошедшие теперь в учебники, были впервые описаны в его работах.

Трудности транскрипции начинаются с того, что ДНК очень плотно упакована. Размер ядра клетки – несколько микрометров, а длина ДНК в каждой клетке измеряется метрами. В 70-е годы Корнберг исследовал первый уровень укладки ДНК. Он описал нуклеосомы – структуры из белков-гистонов, вокруг которых обмотана двойная спираль ДНК. Выяснилось, что при такой пространственной организации (а клетка постоянно хранит свою наследственную информацию именно так) никакого считывания не происходит и не может происходить ни в клетке, ни в пробирке. Это и привело к вопросу о том, какие же факторы отделяют ДНК от гистонов, что за позитивные регуляторные механизмы делают возможным процесс транскрипции, в котором клетка нуждается ежесекундно. Из этого вопроса выросли другие, а для их решения потребовалась разработка новых методов, которые потом стали применяться в разных областях науки.

Хромосома – это очень плотно упакованная молекула ДНК. Укладка ДНК начинается с того, что двойная спираль (розовая) закручивается вокруг комплекса из восьми белков-гистонов (зелёного). Полученное образование называется нуклеосомой. By Illustration by David S. Goodsell of The Scripps Research Institute, La Jolla, California, USA (see this site). Graphic design by Gail W. Bamber, San Diego Supercomputer Center. ↑ Luger, K., Mader, A.W., Richmond, R.K., Sargent, D.F., Richmond, T.J. (1997) Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 A resolution. Nature 389: 251–260 DOI 10.2210/pdb1aoi/pdb [Public domain], via Wikimedia Commons

Исследования пространственной организации ДНК активно продолжаются и сегодня, в том числе в лаборатории самого Корнберга. Доказано, что нуклеосомы – это очень мобильные структуры и в клетке существует множество белков, которые могут их разбирать, сдвигать, не давать им образовываться и просто модифицировать химическую структуру гистонов таким образом, чтобы ДНК была намотана на них более или менее плотно. Но главный объект научных интересов Корнберга – сам процесс синтеза РНК по заложенной в ДНК инструкции и белки, отвечающие за него.

Самый главный белок – тот, который занимается присоединением новых нуклеотидов к формирующейся молекуле РНК, – называется РНК-полимеразой. Она была открыта в 1960 году Сэмом Вайссом и Джерардом Хурвицем. Интересно, что за год до этого Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие механизмов биологического синтеза РНК и ДНК получили Северо Очоа и Артур Корнберг (отец Роджера Корнберга) – их научный вклад был очень значительным, но то вещество, которое они принимали за РНК-полимеразу, позже оказалось другим ферментом.

У бактерий существует одна РНК-полимераза для синтеза всех типов РНК. У высших организмов есть разные ферменты для синтеза рибосомной РНК, транспортной РНК, матричной РНК. Белки строятся на основе нуклеотидной последовательности матричной, или информационной РНК. Её созданием занимается фермент, который называется РНК-полимераза типа II. Именно этот фермент изучал Роджер Корнберг.

Лектор поясняет: в 80-е годы исследованием полимеразы и других транскрипционных белков занимались параллельно три лаборатории. Все они работали с очищенной от гистонов ДНК, транскрипцию которой воссоздавали в пробирке. Роберт Родер (Robert Roeder) работал с человеческими клетками (бессмертной линией HeLa), Рональд и Джоан Канавей (Ronald & Joan Conaway) – с клетками крысы, а лаборатория Корнберга в Стэндфордском университете – с дрожжами. Эти работы позволили подтвердить, что процесс транскрипции принципиально одинаков у разных видов эукариот. Наибольших успехов в определении структуры и функции белков транскрипционного комплекса удалось добиться Корнбергу.

«Десять лет, 10 тысяч литров дрожжей и один аспирант» понадобились для того, чтобы выделить из дрожжей несколько граммов белков и изучить их строение.

Самые важные составляющие транскрипционного комплекса – это сама РНК-полимераза и пять белков-помощников (главные факторы транскрипции – TFIIB, D, E, F и H-фактор). Полимераза расплетает двойную спираль ДНК, строит РНК и заплетает ДНК обратно. Но без главных факторов транскрипции она не способна узнать промотор (участок гена, с которого должен начинаться синтез) и начать транскрипцию.

Кроме того, существует огромное количество молекул, регулирующих транскрипцию, то есть определяющих, какие именно белки будет строить клетка. Самый важный белковый комплекс, вовлечённый в этот процесс, Корнберг назвал Медиатором (это слово пишется с прописной буквы не только из уважения, но и для того, чтобы не путать с медиаторами – любыми молекулами-посредниками). Медиатор передаёт полимеразе сигнал от энхансера, а энхансер – это участок ДНК (иногда сильно удалённый от того места, где идёт транскрипция), который может воспринимать сигналы о нуждах клетки (через транскрипционные факторы) и усиливать синтез гена или группы генов. По-видимому, это не единственная функция Медиатора: уже доказано, что он участвует в транскрипции во всех случаях.

В процессе изучения транскрипционного комплекса были разработаны новые методики для определения строения белков. Корнберг и его команда выращивали двухмерные белковые кристаллы на липидных мембранах, чтобы изучать их под микроскопом, и создавали трёхмерные кристаллы для рентгеноструктурного анализа. Эти данные позволили воссоздать строение огромных белковых комплексов с точностью до атома, а такие точные знания о строении позволяют смоделировать взаимодействие между ДНК, РНК и белками и понять, какая функциональная группа отвечает за присоединение правильного нуклеотида, а какая – за стабилизацию расплетённой ДНК. Корнберг – человек, который знает, как устроена живая материя. Потому что синтез белка – это процесс, благодаря которому существуют абсолютно все возможности живых систем: от движения псевдоподии амёбы и до способности исследовать строение РНК-полимеразы.

Лекция нобелевского лауреата подходит к концу, аудитория притихла –

биологи подавлены величием лектора, а все остальные подавлены молекулярной биологией.

Но главные вопросы всё ещё остаются без ответа: каков же практический выход от этих сложнейших исследований? Известно ли сегодня что-нибудь о заболеваниях, связанных с конкретными мутациями в генах, кодирующих транскрипционные факторы? Существует ли, например, какая-то связь между нарушениями транскрипции и развитием рака?

Роджер Корнберг охотно раздавал автографы студентам МГУ – и биофаковцам, подавленным величием лектора, и всем остальным, подавленным молекулярной биологией

Роджер Корнберг подробно отвечает:

• Сегодня известно много мутаций, влияющих на транскрипцию, и даже известны проявления таких мутаций. Это может приводить, например, к заболеваниям кожи, связанным с аутоиммунными реакциями. Больше всего мутаций известно для фактора H. Они вызывают расстройство, проявляющееся как повышенная чувствительность ко многим факторам. Но здесь другой механизм развития болезни: фактор Н участвует не только в транскрипции, но и в восстановлении ДНК в случае повреждений. Если он не работает, увеличивается скорость накопления мутаций, особенно при воздействии каких-то негативных факторов. Другой пример – существует много мутаций Медиатора. И они ассоциированы с раком. Это неудивительно. Медиатор – это регулирующая система. Это значит, что человек с мутацией Медиатора предрасположен к неправильной работе генов. Есть много других примеров.

Открытие и изучение молекул, лежащих в основе заболеваний, означает и возможность разработки лечения. Один из возможных путей – поиск небольших молекул, которые смогут использоваться как лекарства, влиять на мутантный белок и изменять его работу. Эта область может развиваться, потому что мы знаем природу транскрипции и знаем много веществ, которые могут на неё влиять. Если мы знаем, как транскрипция работает, мы можем представить, что может на неё влиять. Альтернативный путь – это создание таких молекул, которые будут исправлять нарушение. Это, вероятно, будут наноструктуры. Это может работать. Информация, которой мы располагаем, всё ещё неполна, но этот вопрос имеет право на существование. Я думаю, что однажды это будет сделано.

Текст: Анастасия Казанцева

Σ Фото: Игнат Соловей Σ