Двойная спираль. Забытые герои сражения за ДНК

Гарет Уильямс, 2019

История ДНК – это сага, полная блестящих научных открытий, невероятных случайностей, грубых ошибок. Она начинается с обнаружения нуклеина в конце 1860-х годов и заканчивается публикацией книги Джеймса Уотсона «Двойная спираль» в 1968 году. За эти 100 лет появились Нобелевская премия, антибиотики, рентгеновская кристаллография, радар и атомная бомба, не говоря уже о том, что прошли две разрушительные мировые войны, – и каждое из этих событий повлияло на открытие ДНК. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик разгадали загадку двойной спирали, но Гарет Уильямс показывает, что их вклад был последним кусочком гигантского пазла, который собирали несколько десятилетий многие забытые историей ученые. Эта книга об одном из величайших триумфов современной науки и людях, разобравшихся в составе и структуре этой загадочной молекулы. В формате PDF A4 сохранен издательский макет.

Глава 3

Мешок с червями

Не только нуклеиновым кислотам не удавалось покорить воображение ученых. Содержащая их структура тоже прошла свой цикл открытия и игнорирования. Когда Мишер начал свои «бессмертные исследования» в 1868 году, ядро было известно уже 35 лет, но большую часть этого времени оно скрывалось за мелким шрифтом. Неудивительно, что призыв Мишера к «серьезному изучению химического состава ядра клетки» так долго оставался незамеченным.

На современных изображениях клетки ядро показано гордо сидящим в середине, такое же заметное, как полная луна на ночном небе. Вначале, однако, оно было всего лишь «мутным пятнышком», которое могло быть художественной вольностью.

Броуновское достижение

В вышедшем летом 1858 года выпуске^[33] журнала Annals and Magazine of Natural History («Анналы и журнал естественной истории») содержалась богатая подборка материалов для всех, кто увлекался живой природой, от клюва «хищной птицы» до соков, растворяющих раковины, в желудке краба. Там также приводилась статья, в которой намекалось, что ботаникам стоило бы умереть, чтобы добиться полного признания («Мы начинаем интересоваться их жизнями только тогда, когда они уходят в небытие»), и содержалось напоминание для некого мистера Броуна, чтобы он продолжал свои труды, пока его время не истекло, поскольку «некоторые его работы все еще ожидают завершения». В этих словах, написанных несколькими годами ранее, звучала неуместная ирония, поскольку заголовок статьи гласил: «Сообщение о смерти Роберта Броуна, эсквайра».

Покойный последовал этому указанию с большим отличием, потому что он был вовсе не обычным мистером Броуном. Он был членом Королевского общества Робертом Броуном, главным ботаником во время четырехлетнего плавания на корабле Его Величества «Инвестигейтор» (Investigator) в Австралию, а позднее — президентом Лондонского Линнеевского общества и первым хранителем ботанического отделения Британского музея. Как «профессиональный естествоиспытатель и шотландец с холодным умом»^[34], он идеально подходил для того, чтобы составить каталог 4000 растений, которые «Инвестигейтор» привез в Англию; в процессе работы он обнаружил свыше 2000 видов, до тех пор неизвестных науке. Его холодный шотландский ум дал ему спокойно услышать известие о крушении «Порпойза» (Porpoise), аналогичного «Инвестигейтору» судна, со всеми его сокровищами, но позволил ему по-настоящему рассердиться, когда негодяй-ботаник^[35] Ричард Солсбери опубликовал фрагменты лекций Броуна под собственным именем.

Величайшую свою работу Броун проделал в заполненном книгами доме на Дин-стрит в Сохо, Лондон, который был передан ему Джозефом Бэнксом, экстравагантным президентом Королевского общества. Его имя увековечено в «броуновском движении»^[36] — случайном перемещении крошечных частиц, находящихся во взвешенном состоянии в капле воды. Броун впервые наблюдал это явление в 1827 году, когда навел свой микроскоп на крошечные частицы (он назвал их молекулами), которые высыпались из прорвавшихся пыльцевых зерен. Эти молекулы не были живыми, поскольку подобные крошечные частицы чего бы то ни было — даже кусочка известняка, отщепленного от Сфинкса, — выполняли тот же извечный танец.

Микроскоп^[37], через который Броун наблюдал за ужимками своих молекул, совсем не был похож на элегантные функциональные инструменты, красующиеся сегодня на лабораторных столах. Он представлял собой торжество простоты всего с одной крохотной линзой — идеальной стеклянной сферой диаметром едва ли в миллиметр, — помещенной в окуляр, установленный поверх латунной трубки высотой около фута. Вогнутое зеркало у основания трубки направляло свет масляной лампы на образец, который фиксировался прямо под линзой. Образец мог представлять собой часть цветка или листа, или пыльцевые зерна в капле воды, зажатой между тонкой стеклянной пластиной и защитной поверхностью из слюды. У линзы чрезвычайно короткое фокусное расстояние (менее половины миллиметра), что означает, что глаз, окуляр и образец должны были находиться предельно близко друг к другу, но увеличение было поразительным. Линзы Броуна увеличивали до тысячи раз — достаточная мощность, чтобы проводить биопсию тканей.

«Особый вкус в ботанике» сосредоточивался для Броуна в половой жизни орхидей^[38], которая протекает неторопливо и нерешительно и может включать в себя заигрывания с другими видами^[39]. Изучая под микроскопом интимные детали процесса, он заметил, что каждая клетка на кожице листа орхидеи содержит одну «ареолу». В клетках ирисов, лилий и других растений также наблюдались ареолы, всегда по одной на клетку и обычно расположенные в центре. Броун последовательно создавал подробное изображение ареолы: «строго круглая», зерновидная и «довольно мутная». Примечательно, что ему удалось извлечь ареолу из клеток, которые образуют волоски у цветов традесканции; извлеченная ареола, выдавленная с помощью кончика тонкой иголки, подобно тому, как хирург вытаскивает катаракту, имела форму чечевицы, если смотреть сбоку, и, по-видимому, была завернута в «окутывающую мембрану».

Ареола уже была нарисована мастером ботанической иллюстрации Францем Бауэром на некоторых его изображениях орхидей, но он придавал ей «небольшое значение». Теперь Броун выявил, что ареола постоянно присутствует в самых разнообразных растительных клетках. Помимо рассуждений о том, что она производит пыльцевую трубку для оплодотворения яйцеклетки, у него не было идей, для чего она могла быть нужна.

Мы неосознанно помним сегодня о Броуне, потому что в своей знаковой работе о размножении орхидей (1833 год) он переименовал ареолу. Используя латинское слово, обозначающее ядро ореха, он обозначил ее как «ядро (nucleus) клетки, как ее можно было бы назвать»^[40]. И новое название прижилось.

Ядерное распространение

Через несколько лет после открытия Броуна ядро было признано обязательным элементом практически всех животных и растительных клеток. Некоторые ядра относительно изящные, в то время как лимфоциты, наполняющие зобную железу (классический источник ДНК), практически полностью состоят из ядра, окруженного тонким ободком цитоплазмы. Большинство ядер имеют шарообразную или линзовидную форму, но лейкоциты, которые Мишер выделял из гноя, отличаются многолопастной системой, похожей на резиновую перчатку, наполненную водой.

Есть редкие исключения из правила «одна клетка — одно ядро», к ним относятся красные клетки крови (эритроциты) млекопитающих, откуда ядро вываливается во время созревания в костном мозге. В отличие от них, эритроциты птиц и рептилий сохраняют свои ядра — и, таким образом, поставляют нуклеин, что позволило студенту Гоппе-Зейлера Плосу подтвердить невероятное открытие Мишера.

К середине 1850-х годов было общепризнано, что клетки размножаются путем деления надвое и что ядро также разделяется и чудесным образом вновь появляется в каждой из двух дочерних клеток. Большинство биологов полагало, что ядро является необходимым для жизни клетки, потому что клетки, из которых в процессе эксперимента извлекали ядро, вскоре погибали. Другие, тем не менее, считали, что ядро всего лишь попутчик, которого увлекают за собой более важные компоненты клеточного механизма. Самой значимой фигурой антиядерного лагеря был Томас Гексли, президент Королевского общества и «Бульдог Дарвина», который дал знаменитый отпор отрицавшему эволюцию Сэмюэлу Уилберфорсу во время дискуссии в Оксфордском союзе. Гексли настаивал на том, что ядра (и даже клетки) были артефактами микроскопии — и что странная желеобразная субстанция, извлеченная со дна Северного Атлантического океана в 1857 году, была революционной безъядерной формой жизни. У этого желе не было никакой микроструктуры, и оно абсолютно ничего не делало, но Гексли дал ему название Bathybius («жизнь из глубины») haeckelii^[41] в честь Эрнста Геккеля, немецкого разностороннего ученого, пропагандировавшего собственные идеи, который в то время также не придавал ядру никакого значения. Гексли продолжал верить в Bathybius более 20 лет после того, как было доказано, что желе — просто химический артефакт.

К тому времени непостоянный Геккель изменил свою точку зрения и присоединился к сторонникам ядра. Это произошло потому, что ядро вернулось домой и, несмотря на ужасную привычку исчезать как раз тогда, когда становится интересно, начало делиться своими секретами. А новые находки указывали в увлекательном направлении. В 1866 году Геккель написал^[42], что «ядра обеспечивают передачу наследственных характеристик», как если бы это было совершенно очевидно все время.

Потребовалось еще 20 лет, чтобы подкрепить доказательствами сделанную Геккелем констатацию факта. Это удалось сделать благодаря прогрессу в оптике и гистологии — изучении тканей под микроскопом. Прославленное увеличительное стекло Броуна развилось в составные микроскопы, которые мы знаем сегодня, с отдельными линзами в объективе (непосредственно над образцом) и окуляре. В результате получалось гораздо более четкое и яркое изображение, так что микроскоп можно было направить на живые клетки или очень тонкие полоски ткани, которые пропитывали парафином, чтобы сохранить внутреннюю структуру. Полоски были тонкими (стопка из 200 единиц достигала бы всего миллиметра в высоту) и прозрачными, что позволяло подкрашивать элементы клетки синтетическими красителями. Эти гистологические красители преобразили монохромный облик микроскопии. Они вступали в реакции с отдельными компонентами, такими как белки, жиры или нуклеиновые кислоты, и расцвечивали их красками, которые могли бы украсить палитру художника. К первым красителям относились метиловый зеленый, эозин (насыщенно-розовый, названный в честь древнегреческой богини утренней зари) и толуидиновый синий, который обозначает ядро богатым ультрамариновым оттенком. Фридрих Мишер мог бы стать первопроходцем в этой новой области — гистохимии. В 1874 году он обнаружил, что прозрачный раствор нуклеина приобретает красивый голубо-зеленый цвет при добавлении метилового зеленого; но он не испытывал никакого желания «присоединиться к гильдии красильщиков»^[43] и оставил это наблюдение, чтобы его заново открыл кто-нибудь другой.

К счастью, другие ученые были более заинтересованы новыми красителями и их способностью выявлять детали устройства клетки, которые ранее были невидимы. И вскоре из зерновидных внутренностей ядра Роберта Броуна начали появляться странные фигуры — красивые, но сбивающие с толку.

Конфликт лояльности

В состоянии покоя, которое занимает свыше 99,99 % жизненного цикла большинства клеточных типов, ядро мало чем выдает себя под микроскопом. Оно сидит в клетке тихо и бесстрастно, словно игрок в покер; а затем ни с того ни с сего вовлекается в такую запутанную бурную деятельность, что даже самые зоркие микроскописты не могли договориться о том, что произошло. Ядро растворяется, оставляя на своем месте своеобразные меняющие форму элементы. Затем клетка удлиняется и два ядра появляются с противоположных концов. Наконец, вся система разрывается в середине, в результате чего появляются две дочерние клетки, у каждой из которых имеется целенькое ядро, которое выглядит точно так же, как первоначальное.

Деление клетки лежит в основе жизни, здоровья и восстановления организмов. Ткани и органы растут и расширяются, потому что клетки, из которых они состоят, размножаются путем деления надвое. Некоторые типы клеток, такие как определенные нервные клетки (нейроны) мозга, живут свои долгие жизни, не зная переживаний деления, но у большинства клеток более честолюбивые замыслы. Клетки кожи и внутренней оболочки кишечника^[44] подвергаются сильному износу, поэтому им приходится чаще регенерировать самих себя, чтобы сохранять эти поверхности в целости. Даже для этих интенсивно обновляющихся тканей деление клетки — редкое событие; например, оно занимает лишь последний час из трехдневного периода жизни клетки эпителия толстой кишки. Клетки делятся более часто в эмбрионе и при восстановлении тканей после повреждения — ярким примером может служить новая лапка, которая вырастает у личинки тритона после неудачной встречи с биологом-экспериментатором.

Благодаря своей благоприятствующей анатомии некоторые виды чрезвычайно поспособствовали изучению деления клетки. Если посмотреть невооруженным глазом, лошадиная острица выглядит как 5-дюймовая невероятно подвижная макаронина; под микроскопом это ответ на мольбу биолога — гермафродит с просвечивающими гонадами, где на одном образце можно проследить развитие икры и спермы. Личинки амфибий, таких как тритоны и саламандры, наделены большими удобными для микроскопистов клетками кожи, жабр и мочевого пузыря. А слюнные железы мух содержат необыкновенно большие хромосомы с таким изысканным рисунком, что мутации можно буквально увидеть.

Первые попытки объяснить деление клетки делались на живых клетках (точнее, на медленно умирающих), без использования гистологических красителей. К середине 1870-х годов различные исследователи сообщили о том, что короткие стержнеобразные структуры — которые Эдуард ван Бенеден назвал bâtonnets^[45], или «маленькие палочки», — появлялись в потревоженной цитоплазме на месте, где последний раз видели ядро. Но загадки, из чего состояли «маленькие палочки», откуда они появились и что они делали, оставались неразгаданными до тех пор, пока один человек не сел за микроскоп и не посвятил 40 лет тому, чтобы разобраться, что происходило на самом деле.

Держаться за нити

Вальтер Флемминг был одним из немногих по-настоящему симпатичных людей в истории изучения ДНК. Он был любим своими студентами^[46] за «сердечность и благожелательность», а бедняками города, ставшего ему родным, за то, что отдавал им четверть зарплаты и учил их детей бесплатно.

Когда 33-летний Флемминг занял пост профессора анатомии в Кильском университете в феврале 1876 года, он возвращался к своим корням в северной Германии. После счастливого детства, проведенного в Заксенберге, изучение медицины заставило его вести кочевой образ жизни, переезжая из Геттингена в Росток через Тюбинген (он на пару лет разминулся там с Фридрихом Мишером) и Берлин. Получив докторскую степень в 1868 году, он работал в Праге, где бескомпромиссные националистически настроенные чешские студенты превратили его жизнь в настоящий ад — так что он удалился в захудалый университет имени Кристиана Альбрехта в Киле^[47], один из самых маленьких в Германии.

Благодаря большому торговому флоту Киль был процветающим городом, но в нем было немало признаков обеднения. Когда Флемминг приехал, Анатомический институт ютился в некогда величественном, но пришедшем в упадок особняке рядом с центром города. Флеммингу приходилось бороться с хронической нехваткой денег, помещений и трупов для вскрытия — не говоря уже о борьбе с администрацией университета, которая пыталась украсть его заработок. Но он совершил великие дела с таким малообещающим материалом и превратил свой институт в один из ведущих мировых центров по изучению жизненных процессов.

Флемминг посвятил оставшуюся часть своей карьеры тщательному анализу мелких деталей деления клетки. Ему способствовали хорошие микроскопы, терпение, достойное святого, способность поймать момент и «превосходные» клетки огненной саламандры. Эта нарядная черно-желтая амфибия, похожая на тритона, примечательна тем, что она ядовита^[48] и что у нее большие прозрачные клетки, обрамляющие жабры и мочевой пузырь, в которых ее хромосомы (их всего шесть, а потому их легко отследить) видны в самом выгодном свете. Флемминг начал наблюдать за процессом в неокрашенных тканях и увидел «нити», которые появляются в том месте, где было ядро, когда его очертания растворились. Это соответствовало «маленьким палочкам», о которых уже сообщалось другими исследователями, но последующие детали было трудно различить.

Его огромный скачок вперед заключался в том, что он окрашивал разделяющиеся клетки разными гистологическими красителями. Он первым зафиксировал образцы смертоносным коктейлем из солей металлов и уксусной кислоты («раствор Флемминга», до сих пор используемый сегодня), который позволял надежно заблокировать клеточный механизм. Благодаря красителям предметное стекло микроскопа дало принципиально новый уровень понимания. Застывшие в момент смерти клетки и окрашенные в красный цвет сафранином или в темно-синий гематоксилином, нити теперь выступали поразительно четко. Затем Флемминг реконструировал весь процесс по «моментальным снимкам» нитей, сделанным на разных этапах процесса деления клетки. Чтобы убедиться, что результаты его наблюдений не являются уникальными для саламандр, он также проследил за делением клеток ирисов и морских ежей.

Свои первые несколько лет исследований он описал в трех больших статьях и монументальной книге^[49] (1882 год), все они были прекрасно проиллюстрированы его собственными рисунками тщательно отрепетированного танца нитей. Сначала они выглядели как спутанный клубок на месте, где раньше было ядро, затем перестроились в лучистую звезду, которая затем превратилась в плоскую пластину в середине веретенообразной структуры, сформировавшейся от края до края клетки. В этот момент каждая нить продольно разорвалась посередине. Затем разделенные полунити разбились на две группы, которые отправились к противоположным концам веретена; каждая группа собралась в новый моток, вокруг которого сформировалось новое дочернее ядро.

Флемминг ошибочно полагал, что нити образуют единую цепочку, которая разделяется на отдельные куски для деления клетки, но практически все остальное он понял правильно. Он назвал интенсивно окрашивающийся материал нитей хроматином, от греческого «цвет». Этот термин был подхвачен в 1888 году Вильгельмом Вальдейером, который переименовал нити Флемминга в «хромосомы» («окрашенные тельца»)^[50]. Полунити, которые порождают хромосомы дочерних клеток, впоследствии назвали хроматидами. Представление Флемминга о нитях сохранилось до сегодняшнего дня. Он назвал процесс митозом (от греческого «нить»), который стал современным термином. Его почти поэтические наименования «клубок» и «звезда» были заменены более прозаическими терминами, но сам процесс митоза в целом соответствует описанному им (Рис. 3.3).

Острый глаз Флемминга подметил и другие важные детали. Он описал «центриоль»^[51], такую маленькую, что она может показаться просто игрой света. Центриоль обычно тихо сидит рядом с ядром. Потом, когда ядро начинает таять, она становится поразительно активным маленьким тельцем. Центриоль сама разделяется на две половинки, которые мигрируют к противоположным концам клетки, за каждой из них тянется хвост, как за крошечной кометой. Два хвоста соединяются в середине, образуя веретено, к которому прикрепляются хромосомы для последних па своего танца.

Рис. 3.3. Деление клетки (митоз) с указанием этапов процесса.

Он продолжил изучать образование икринок и сперматозоидов у саламандр и морских ежей и обнаружил, что деление клетки не заканчивается так, как в других тканях. Эти зародышевые клетки проходят стадии митоза точно так же, как клетки жабр и мочевого пузыря — но две дочерние клетки потом еще раз подвергаются делению, так что получается четыре клетки, каждая из которых содержит только половину нормального количества хромосом (т. е. три у саламандр). Это наблюдение, сделанное в 1883 году, подтвердило результаты ван Бенедена о том, что сперма и икра лошадиной острицы содержит половину от числа хромосом, имеющихся в клетках других тканей.

Флемминг идеально описал этот процесс^[52], но никак не назвал его. Это сделали Дж. Б. Фармер и Дж. Э. Ш. Мур, назвавшие процесс «мейоз»^[53] в статье, опубликованной в 1905 году. Окончательное редукционное деление — важный этап в подготовке яйцеклеток и сперматозоидов к слиянию, в результате которого получается оплодотворенная яйцеклетка, содержащая полный набор хромосом, при этом от каждого из родителей поступает половина генетического материала.

Конец ознакомительного фрагмента.

Примечания

33

Anonymous. Obituary Notice. Robert Brown, Esq. Annals & Magazine of Natural History, Series 3. 1858; 2:80–2.

34

Из письма Жозе Коррея да Серра Джозефу Бэнксу, цитируется по Mabberly, p. 59–60.

35

Mabberly, p. 65.

36

Brown R. A brief account of the microscopical observations… on the particles contained in the pollen of plants… Edin New Philosoph 1828; 5:358–71. Доступно онлайн: sciweb.nybg. org/science2/pdfs/dws/Brownian.pdf. В 1905 году Эйнштейн доказал, что данное явление обусловлено столкновением частиц во взвешенном состоянии с молекулами воды: Einstein A. Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen. Ann Phys 1905; 17:549–560.

37

Pearle P., Collett B., Bart K. What Brown saw, and you can too. Am J Physics 2010; 78:1278–89. Подтверждение того, что через микроскопы Броуна можно было различить броуновское движение.

38

Brown R. Trans Linn Soc London 1833.

39

Некоторые виды орхидей оплодотворяются осами или пчелами, которые спариваются (безуспешно) с напоминающими насекомых элементами передней части цветка.

40

Там же, с. 110.

41

Coleman W. Cell nucleus and inheritance: an historical study. Proc Amer Phil Soc 1965; 109:128–38.

42

Haeckel E. Generelle Morphologie der Organismen. Berlin: G. Reimer, 1866, vol. 2, p. 287–8.

43

Miescher F., Arbeiten, letter 1897; i:107–8.

44

Spalding K., Bhardwaj R. D., Bucholtz B. A. Retrospective birth dating of cells in humans. Cell 2005; 122:133–43.

45

Van Beneden.

46

Dröscher A. Flemming, Walther. eLS. Chichester: John Wiley & Sons, March 2015, p. 1–4. Doi: 10.1002/9780470015902.a0002790.

47

Paweletz N. Walther Flemming: pioneer of mitosis research. Nature Rev Mol Cell Biol 2001; 2:72–5.

48

Некоторые родственники огненной саламандры еще более опасны; см. De Lisle H. Poisoning from the rough-skinned newt. Herpetology 2010; 13:7–12. Некий человек проиграл спор о том, что проглатывание одного тритона не может быть смертельным. Не пробуйте это дома.

49

Flemming 1882. См. также Flemming W. Beiträge zur Kentniss der Zelle und ihre Lebensscheinungen, Theil II. Arch für Mikroskop Anatomie 1880; 18:159–259; в английском переводе: Flemming W. Contributions to the knowledge of the cell and its vital processes. J Cell Biol 1965; 25:1–69.

50

Waldeyer W. Über Karyokinese und ihre Beziehungen zu den Befruchtungsvorgängen. Arch Mikrosk Anat 1888; 32:1–122.

51

Flemming W. Attraktionsphären und Zentralkörper in Gewebs — und Wanderzellen. Anat Anz 1891; 6:78–86.

52

Flemming 1887.

53

Farmer J. B., Moore J. E. S. On the meiotic phase (reduction divisions) in animals and plants. Quart J Microscop Sci 1905; 48: 489–557. См. также Hamoir 1992.