Центральная догма молекулярной биологии

Как происходит процесс передачи информации в клетке от нуклеиновых кислот к белкам? Существуют ли противоречия центральной догме молекулярной биологии, сформулированной Фрэнсисом Криком? Почему прионы способны без участия ДНК и РНК вызывать болезни? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Максим Франк-Каменецкий.

В первые годы после открытия двойной спирали, когда возникла новая наука — молекулярная биология, наука о молекулярной природе жизни, — признанным лидером среди молекулярных биологов был Фрэнсис Крик, который вместе с Джеймсом Уотсоном открыл двойную спираль в 1953 году. В конце 50-х годов он сформулировал правила, как работает молекулярная машина жизни, которые получили название (он сам дал это название) центральной догмы молекулярной биологии.

К тому времени уже кое-что было известно, но еще очень немного подробностей, за исключением двойной спирали. Да и двойная спираль в то время была еще гипотезой, она еще не была общепризнана, и Нобелевская премия еще не была выдана — она была получена Уотсоном и Криком в 1962 году. А мы говорим о конце 50-х годов, более точно — о 1958 годе, когда Крик сформулировал эту центральную догму.

Она состоит в том, что в клетке имеется направленный поток информации от ДНК, которая представляет собой исходный генетический текст, состоящий из четырех букв: A, T, G и C. Этот текст записан в виде последовательностей этих букв, которые называются нуклеотидами, в двойной спирали ДНК, в одной из двух цепей. Этот текст транскрибируется. Процесс называется транскрипцией. Синтезируется РНК, которая идентична этому тексту, с той разницей, что в РНК вместо T стоит U, но они очень похожи, и РНКовый текст является слепком с соответствующего ДНКового текста.

Эта РНК, которая называется информационной РНК, или мРНК, транслируется с помощью генетического кода в виде последовательности аминокислотных остатков в белках — перевод текста нуклеиновых кислот ДНК и РНК из 4-буквенного текста в 20-буквенный текст аминокислот. Канонических аминокислот, или природных аминокислот, — 20, а букв в тексте нуклеиновых кислот — 4, поэтому происходит перевод из 4-буквенного алфавита в 20-буквенный с помощью генетического кода, в котором каждой тройке нуклеотидов отвечает какая-то аминокислота. Всего можно сделать из 4 букв 64 комбинации по 3 буквы, а аминокислот 20, поэтому код должен был быть вырожденным, и в то время он еще не был известен, даже не начали его расшифровывать, когда Крик сформулировал свою центральную догму. Но уверенность в том, что код должен существовать, уже была, и к тому времени уже было показано, что он триплетный, что именно 3 буквы в нуклеиновых кислотах отвечают одной аминокислоте. Эти 3 буквы, которые отвечают аминокислоте, получили название кодонов. Этих кодонов 64, а они кодируют 20 аминокислот. Значит, каждой аминокислоте — почти каждой — отвечает по несколько кодонов. Есть аминокислоты, которым отвечает только один кодон, но, как правило, больше чем один.

Таким образом, центральная догма — это постулат, что в живой клетке происходит направленный поток информации: ДНК — РНК — белок. Крик подчеркивал, что его центральная догма — это не позитивное, а негативное утверждение, и главное содержание центральной догмы состоит в том, что не происходит обратного потока информации, белок не может изменить генетическую информацию.

В этом состоит основной смысл центральной догмы: белок не в состоянии изменить информацию в РНК или в ДНК, поток идет в одну сторону.

Через много лет после того, как это было сформулировано, — больше чем через 10 лет — был открыт новый фермент, который не был известен во времена формулировки центральной догмы — так называемая обратная транскриптаза. Значит, процесс транскрипции — это синтез РНК на ДНК, он заложен в центральной догме. И процесс трансляции — синтез белка по инструкции РНК. И процесс репликации: ДНК может синтезироваться на ДНК, РНК может синтезироваться на ДНК, и белок синтезируется согласно инструкции РНК.

Но был открыт фермент, который синтезирует ДНК на РНК. Он был открыт в тех вирусах, в которых генетической информацией является РНК, генетическая информация в этих вирусах закодирована не в ДНК, а в РНК. Такие вирусы получили название ретровирусов, и, кстати, один из знаменитых теперь вирусов — вирус иммунодефицита человека, ВИЧ, ответственный за AIDS, за СПИД, — принадлежит к разряду ретровирусов. У него генетическая информация записана в виде молекул РНК, а не ДНК.

Этот вирус, как и все ретровирусы, несет в своей вирусной капсуле, где у него запрятана генетическая РНК, специальный фермент, который называется обратной транскриптазой, который первое, что делает, когда эта РНК попадает в клетку, — синтезирует ДНК на этой вирусной РНК, которая потом уже служит, как обычно ДНК, генетическим материалом для дальнейшего развития вируса внутри клетки.

Это открытие вызвало большой шок среди молекулярных биологов, потому что до этого считалось, что, согласно центральной догме, этого быть не может. Но Крик возразил (он написал специальную статью в 1970 году), что он никогда не говорил, что этого не может быть. Он говорил только, что никогда не может быть потока информации от белка к нуклеиновым кислотам, а внутри нуклеиновых кислот любые процессы возможны: может быть синтез ДНК на ДНК, ДНК на РНК, РНК на ДНК и РНК на РНК. Так что центральная догма выдержала это испытание — Крик разъяснил ситуацию — и осталась краеугольным камнем молекулярной биологии.

Но имеется одно явление в биологии и медицине, которое очень долго, фактически до сих пор вызывает большое смятение в умах молекулярных биологов. Это явление получило название прионов. Существуют болезни, очень редкие, которые не вызываются вирусами (о бактерии и речи нет), в которых, как мы знаем, генетическая информация заложена в виде РНК или ДНК, в виде нуклеиновых кислот. К таким болезням принадлежит таинственная болезнь куру, которой болеют папуасы Новой Гвинеи. Как было установлено, это происходит из-за каннибализма и обряда, когда они съедают мозг своих умерших родственников. Как выяснилось, при этом процессе происходит передача инфекционного начала. И как выяснилось, это инфекционное начало является белком, там нет нуклеиновой кислоты.

Это не противоречит центральной догме, но является существенной проблемой для центральной догмы. Потому что как же так, белок способен выполнять работу без нуклеиновой кислоты? Было установлено, что на самом деле нуклеиновая кислота присутствует в том смысле, что обязательно нужно, чтобы был ген внутри генома, который производит нормальный белок. Но когда он соприкасается с больным белком, неправильно сложенным в пространственную структуру, то этот неправильно сложенный белок индуцирует неправильное сложение нормального белка, который вырабатывается в организме, и тем самым он индуцирует цепочку неправильно свернутых белков.

Это совершенно особая ситуация. Этот белок ни в какую нуклеиновую кислоту свою информацию не переносит. Но он индуцирует процесс неправильного сворачивания белков, который приводит к болезни мозга, в результате чего человек умирает. Это чрезвычайно интересное, очень долго делавшееся открытие, за которое два человека получили Нобелевскую премию: Гайдушек получил Нобелевскую премию, когда показал, что эта болезнь действительно распространяется за счет каннибализма, и Стенли Прузинер получил Нобелевскую премию, когда показал, что это действительно белок, что эта болезнь вызывается прионами. Это особая вещь, которая, в общем-то, не противоречит центральной догме, но чрезвычайно интересна как совершенно необычный способ распространения заболевания.