Белковая наследственность - новая глава генетики

Генетика, начало которой было положено еще в прошлом веке опытами Менделя, для большинства из нас до сих пор является молодой наукой. В России такой взгляд исторически оправдан: долгое время генетика в Советском Союзе считалась "буржуазной лженаукой". Возможно, именно драматизм истории генетики в нашей стране обусловливает непреходящий интерес к ней. На памяти старшего поколения - разгул лысенковщины. Закрывались лаборатории, выдающиеся исследователи оказывались в лагерях. Погиб в тюрьме наш крупнейший ученый, генетик с мировым именем Н. И. Вавилов. А в это время в Европе и США новая наука стремительно развивалась. Западные ученые делали ошеломляющие открытия в изучении механизма наследственности. И хотя наука не имеет национальности и по сути своей должна быть общечеловеческой, все же обидно, что в истории генетики последних десятилетий встречается так мало русских имен.

Сегодня отечественная наука снова переживает не лучшие времена. Запрещенных теорий теперь, правда, нет, но и заниматься исследованиями становится все сложнее: нет денег, нет необходимого оборудования. Почти все открытия совершаются в соавторстве с зарубежными учеными, предоставляющими свои лаборатории нашим исследователям. Угнаться за Западом отечественным ученым почти невозможно: даже по количеству исследовательских центров мы сильно уступаем Европе и Америке. А ведь в истории остается тот, кто совершил открытие первым.

И все же российским ученым удается идти в ногу со своими иностранными коллегами, а иногда и опережать их. Доказательством может служить история того, как была открыта особая форма наследственности - прорыв, ставший новым словом в фундаментальной генетике.

Прионные белки

Как и многие другие серьезные открытия, обнаружение белковой наследственности было подготовлено несколькими разнонаправленными сериями исследований. Интересно, что ни один из коллективов ученых, совместными усилиями которых было сделано открытие, первоначально не ставил целью изучать механизм наследственности.

Американский биохимик Стэнли Прузинер обнаружил не известный ранее тип белковой инфекции - так называемую прионную, за что был удостоен в 1997 году Нобелевской премии.

Пожалуй, начать стоит с исследований американского биохимика Стэнли Прузинера. Именно он обнаружил новый тип инфекции - прионную, за что получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1997 году. Вероятно, читатели помнят скандал, разразившийся вокруг эпидемии коровьего бешенства в Англии. Белковые возбудители этой болезни (а также некоторых других смертельных болезней человека и животных - болезни Крейтцфельда -Якоба у человека, скрейпи у овец), поражающие нервную систему, мозг, и были названы прионами.

Стэнли Прузинер обнаружил, что абсолютно одинаковые по химическому составу прионные белки могут находиться в двух разных пространственных формах. Разница между такими белками отчасти напоминает разницу между сырым и вареным белком обыкновенного куриного яйца. Если белок находится в "нормальной" форме, он хорошо растворяется и выполняет в организме свойственную ему функцию. Напротив, белок, находящийся в "аномальной" пространственной форме, образует нерастворимые агрегаты, слипается. Но самым важным - и уникальным - свойством прионов является следующее: белок, находящийся в "аномальной" форме, столкнувшись с "нормальным" белком, переводит его в свою, "аномальную", форму. Это и является сутью прионного типа инфекции: "больной" белок заражает "здоровый", который начинает слипаться и, накапливаясь, заполняет клетки мозга, препятствуя их работе. Причины изначального появления в организме белка в "аномальной" форме пока не установлены. Обе формы белка кодируются одним геном, поэтому вполне вероятно, что на образование "аномальной" формы могут влиять внешние воздействия (например, есть гипотеза, что к появлению "аномального" приона в организме может привести высокая температура, перенесенная человеком).

Дрожжи: от прионной инфекции к белковой наследственности

В рассказе об открытии белковой наследственности придется сделать небольшое отступление, вернее, начать рассказ заново, уже с другой точки. Возможно, это покажется нелогичным, но ведь именно так движется наука: каждый ученый идет своим путем, каждое открытие включает труд многих исследователей.

Обнаружение прионного типа инфекции стало первым шагом к открытию нового типа передачи наследствен ной информации.

Второе направление, подготовившее его, было связано с дрожжами. Дрожжи - один из самых удобных объектов молекулярной генетики и молекулярной биологии. Во-первых, это связано с тем, что популяция дрожжей включает огромное количество одноклеточных микроорганизмов, поэтому можно регистрировать очень редкие явления, происходящие в одном случае из миллионов. Во-вторых, дрожжи хорошо изучены: известны структуры всех генов дрожжей. В-третьих, дрожжи в генетическом плане устроены практически так же, как человек. Почти все белки, которые есть у человека, есть и у дрожжей, более того, часто эти белки взаимозаме няемы. И, наконец, дрожжи быстро размножаются, поэтому опыты не требуют длительного времени. Один из основателей школы генетики дрожжей в бывшем Советском Союзе - Сергей Георгиевич Инге-Вечтомов. Сейчас в России дрожжами занимаются несколько групп ученых, среди них - лаборатория его ученика, профессора Михаила Давидовича Тер-Аванесяна в московском Кардиологическом научном центре.

Еще в 1964 году С. Г. Инге-Вечтомов обнаружил у дрожжей ген SUP35. Примерно в это же время британский исследователь Брайан Кокс нашел у дрожжей наследуемый признак, обладающий рядом уникальных свойств, трудно объяснимых с точки зрения обычных представлений о генетических явлениях. Позже в лаборатории Инге-Вечтомова были получены свидетельства того, что существование этого признака зависит от гена SUP35. Одновременно с исследованиями Инге-Вечтомова такие же результаты были получены в лабораториях Тер-Аванесяна и Кокса. Все данные свидетельствовали о том, что белок Sup35 может каким-то образом отвечать за проявление и наследование этого признака, причем это его свойство не связано с мутациями (структурными изменениями) в гене SUP35.

Обнаруженное явление оставалось необъяснимым до последнего времени, когда широкий интерес к прионам навел исследователей на мысль о сходстве белка Sup35 с прионами млекопитающих. Такое сходство предпола
гало, что белок Sup35 может иметь разную пространственную укладку, причем, находясь в прионной ("аномальной") форме, белок может "наводить" такую форму на молекулы этого же белка, находящиеся в "нормальном" состоянии. Такую аналогию провел американский ученый Рид Викнер, выдвинув гипотезу, что дрожжи могут синтезировать белки, проявляющие прионные свойства. Правда, Прузинер применительно к прионам говорил об "инфекции", но ведь никто не наблюдал передачи вещества от одной клетки к другой через межклеточное пространство (а именно в этом заключается суть инфекции). Викнер предположил, что и в том, и в другом случае мы имеем дело с одним и тем же явлением, а именно с прямой передачей информации от белка к белку.

Чтобы оценить смелость гипотезы, надо вспомнить: вся современная генетика основывается на том, что наследственная информация передается через молекулы ДНК, которые могут удваиваться и передаваться потомству. Белки же синтезируются на основе информации, заложенной в ДНК. Цепочка передачи информации выглядит так: ДНК (r)РНК (r)белок. В свое время сенсацией явилось открытие так называемой "обратной связи": оказалось, что информация может передаваться из РНК в ДНК. Но то, что информация, передаваемая по наследству, не может быть заложена в белках, никогда не подвергалось сомнению (если не считать теории Лысенко, научные взгляды которого, по оценкам современных ученых, были близки средневековым). Теперь же получалось, что признак может наследоваться без участия ДНК.

За исследование прионоподобных свойств дрожжевых белков взялись две лаборатории: группа американских ученых во главе с профессором Сьюзен Линдквист и лаборатория М. Д. Тер-Аванесяна. Позже к ним присоединились и другие. У американцев было лучшее оборудование, кроме того, они использовали в своей работе материалы, полученные нашими учеными. Но в данном случае сыграло роль то, что у наших генетиков были большие наработки по этой теме.

Статья М. Д. Тер-Аванесяна и его сотрудников появилась в июле 1996 года в журнале Европейской организации молекулярной биологии (ЕМВО Journal). В ней было показано, что белок Sup35 может образовывать агрегаты, подобные тем, которые создают прионы в "аномальной" форме. Уже в следующем месяце аналогичные результаты, полученные лабораторией Линдквист, были опубликованы в журнале "Science". Теперь нужно было доказать, что информация о пространственной форме передается напрямую от белка к белку.

Структура "нормального" (слева) и "аномального" (справа) прионного белка.

И вот в 1997 году группа Тер-Аванесяна нашла такое доказательство. Опыт был поставлен в среде без ДНК. К Sup35 добавляли некоторое количество белка, находящегося в "аномальной" пространственной форме. Через некоторое время весь белок оказывался в "аномальной" конформации. Этот белок снова добавляли к "нормальному", и он опять переводил его в "аномальную" форму. Так повторялось много раз, пока доля исходного "аномального" белка не оказалась совершенно ничтожной, так что стало ясно: "аномальный" белок, образованный из "нормального", способен передавать свою пространственную форму другому, "нормальному" , белку. Итак, был открыт новый механизм передачи наследственной информации - белковая наследственность.

Sup35. История изучения

Как ни странно, белок Sup35, на котором была открыта белковая наследственность, был для генетиков чем-то вроде "белого пятна" в науке. Ученые ничего не могли сказать о его функциях: зачем он нужен в организме? Но, вероятно, это был как раз тот случай, когда, как говорят, "идея носилась в воздухе". И вот, в то время как генетики занимались Sup35 с точки зрения его прионоподобных свойств, молекулярные биологи неожиданно пришли к разгадке его функций.

Когда девять лет назад началась эта история, никто из исследователей не мог предположить, что их работа приведет именно к выявлению функций белка Sup35. В то время Лев Львович Киселев и его коллеги из Института молекулярной биологии Российской академии наук занимались биосинтезом белков. В 1990 году известный американский ученый Т. Каски опубликовал статью, в которой описал белок, участвующий, по его мнению, в окончании процесса синтеза сложного вещества, состоящего из нескольких аминокислот, - полипептидной цепи. Однако этот белок был практически тождествен тому, структуру которого расшифровали наши ученые, но который, согласно нашим данным, участвовал не в окончании, а в начале указанного процесса. Не есть ли это противоречие здравому смыслу: два очень похожих белка не могут выполнять совершенно разные функции. Напрашивался вывод: Каски ошибся, его белок не заканчивал синтез, а участвовал в его начале. В 1993 году Л. Л. Киселев и его коллеги опровергают работу Каски, и уже в следующем году сам Каски подтверждает, что его выводы были ошибочны.

Какой же белок в таком случае завершает синтез? Теперь его поисками занялись уже российские ученые. И вот в 1994 году (как раз в то время, когда Рид Викнер выдвинул гипотезу о прионоподобных свойствах Sup35) наши исследователи опубликовали в журнале "Nature" структуру такого белка. Его назвали еRF1. Этот белок оказался весьма консервативным по структуре: у человека, лягушки и дрожжей его аминокислотная последова тельность очень похожа (дрожжевой белок имеет свое имя - Sup45). Как только это выяснилось, стало очевидно, что другой дрожжевой белок, о котором уже шла речь, - Sup35 (дрожжевой прион) тоже может быть вовлечен в завершение синтеза полипептидной цепи. Действительно, годом позже (в 1995 году) группы Киселева и Инге-Вечтомова совместно с группой М. Филиппа из Реннского университета (Франция) открыли новую группу белков, получивших название еRF3. Среди них был и белок Sup35. Стало ясно, что Sup35 - один из двух белков, определяющих окончание белкового синтеза у клеточных организмов. Чуть позже группа Киселева доказала, что белки еRF3/Sup35 обладают ферментативной активностью: расщепляют одно из ключевых соединений клетки - гуазинтрифосфат (ГТФ). Открытие ферментативной активности дрожжевого приона Sup35 имеет большое значение, так как позволяет использовать биохимические методы для анализа прионных превращений, что ранее было невозможно.

       
На микроскопических снимках - прионные белки, возбудители коровьего бешенства.

Белковая наследственность: значение открытия

Итак, на примере дрожжевого белка открыт новый принцип наследственной передачи признаков. "Белковая наследственность" - так назвали ученые свойство прионоподобных белков передавать информацию о своей пространствен ной форме без участия ДНК. Насколько широко распространено это явление? Прионоподобные белки уже обнаружены у некоторых грибов, возможно, в скором времени они будут найдены и у других организмов. Исследования на эту тему ведутся сейчас очень интенсивно. Пока даже сами ученые остерегаются делать прогнозы.

"Важно, что здесь мы имеем дело с передачей информации иного типа по сравнению с той, что передается через гены, а именно с передачей структурной, трехмерной информации, - говорит М. Д. Тер-Аванесян. - Это совершенно новый принцип, и это чрезвычайно важно для науки". Есть теория, что прионоподобные белки участвуют в формировании долговременной памяти человека. Если это действительно так, то белковая наследственность, возможно, связана с важнейшей функцией мозга.

Разумеется, открытие белковой наследственности ни в коей мере не означает пересмотра теории передачи наследственной информации через нуклеиновые кислоты. Это - дополнение к ней, новая глава классической генетики. Однако не исключено, что многие явления будут переосмыслены. Наука "прошла мимо" прионоподобных белков. Ученые не исключают, что таких белков много, и в таком случае белковый механизм наследственности может иметь немаловажное значение в жизни многих организмов.

Возможно, белковая наследственность играла значительную роль и в биологической эволюции, по крайней мере в эволюции одноклеточных организмов, размножающихся путем деления. Ведь благодаря постоянному делению в популяции в результате механизма прионной наследственности может возобладать одна из форм прионоподобно
го белка. Пока неясно функциональное назначение той или иной формы, но в природе нет ничего лишнего - следовательно, этот механизм для чего-то нужен. В случае дрожжей он, вероятно, служит целям адаптации.

Несколько лет назад мир охватила паника. Англия стала первой страной, где объявилась новая смертельная болезнь коров - коровье бешенство. Через зараженное мясо болезнь передавалась и человеку.

Для медицины открытие белковой наследственности означает перспективу лечения болезней, вызываемых прионными и прионоподобными белками. Что касается собственно прионных заболеваний, то они мало распространены среди людей (приблизительно один случай на миллион в год). Но у животных они нередки, а в связи с их инфекционностью опасность заражения человека очень велика - именно это обусловило ажиотаж вокруг эпидемии коровьего бешенства в Англии. Кроме того, есть еще ряд заболеваний - гораздо более распространенных, - которые также связаны с белками, способными образовывать агрегаты. Например, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, болезнь Хангтингтона. Возможно, они также передаются с помощью механизма белковой наследственности. Уже открыт способ "лечения" дрожжей от прионных заболеваний, а значит, появилась модель создания лекарств для человека.

В 1997 году группа Тер-Аванесяна (Москва) нашла убедительное доказательство того, что информация о пространственной форме передается от белка к белку напрямую. Опыт ставился в среде без ДНК - основного носителя наследственности. Итак, к белку Sup35 (на рисунке - первая пробирка) добавляли некоторое количество того же белка, но находящегося в "аномальной" форме. Через 3 часа весь белок становился "аномальным". Часть этого белка снова добавляли к "нормальному", и картина повторялась. Опыт давал один и тот же результат много раз подряд.