Генно-копировальный аппарат Нудлера или Дело с концом

Во-первых, откупоривайте шампанское: член нашего клуба Женя Нудлер опубликовал свою третью статью в одном из трех самых престижных международных журналов — Nature (два других — Cell и Science освоены им в еще большей мере, но об этом в другой раз).

Во-вторых, уже второй раз за три месяца я должен объяснять, как из-за его открытий придется переписать учебники. Теперь уже, правда, вузовские учебники, поэтому пристегните ремни — будет сложно.

Я даже давайте так сделаю: сначала поговорю с Женей про что-нибудь общечеловеческое, чтобы всем было интересно. А потом — под катом — разъясню детали (для отличников).

И.К.: В октябре я рассказывал людям, что ты занят ролью оксида азота в биологии; сегодняшнее открытие совершенно из другой области: речь идет о законах копирования генетической информации в клетке. Насколько я знаю, ты занят еще и третьей темой — белками теплового шока и старением. Все работы выполняются на самом высоком уровне. Это как вообще устроено? У тебя три разных лаборатории? Три головы на плечах?

Е.Н.: Нет, лаборатория одна... Ну, так вышло. Я думаю, любой ученый способен работать сразу в нескольких областях. При хорошем финансировании ты можешь накопить гранты на разные темы, и одна будет другую подкармливать (сейчас правда с этим труднее). Я всегда занимался транскрипцией (копированием генов), потом надоело, я стал думать про что-то еще — так появились работы по оксиду азота. Но транскрипцию не забросил — там все время происходило что-то новое, ну и деньги основные у меня оттуда.

И.К.: Это все технические детали. Скажи по существу: как ты можешь делать открытия одновременно в трех областях?

Е.Н.: Мне нравится переключаться. Делается шире кругозор, темы могут неожиданно перекликаться и подпитывать друг друга идеями. Но главное: когда ты сосредоточен на одной задаче, мозг в какой-то момент тормозит и не может отличать сигнал от шума. Отвлекаешься на что-то, а потом возвращаешься к задаче и ясно видишь решение. Самый яркий пример такого эффекта, который известен всем, — это сон. К концу дня в мозге накапливается такой объем ненужной информации, что задачи перестают решаться. Поспишь — и выясняется, что есть ответы на все вопросы.

И.К.: Ну вот, нормальные люди спят. А тебе, видимо, лень спать — ты просто даешь отдохнуть тому участку коры, который был занят одной задачей, и принимаешься, чтобы мозг зря не простаивал, обсчитывать другую — уже другим участком...

Е.Н.: (Смеется.) Давай поговорим о транскрипции?

И тут он мне все рассказал. Вкратце суть такая. Как известно, в любой клетке есть ДНК — длиннейшие молекулы, на которых хранится вся генетическая информация, то есть сведения обо всех белках, которые нужны клетке для жизни (человечьей — свои, кишечной палочке — свои и т. д.). Помните Энгельса: «Жизнь есть форма существования белковых тел»?

Когда клетке нужен конкретный белок, специальная машина (она называется РНК-полимераза) садится на ДНК, проползает по нужному участку, читает информацию и строит более короткую молекулу — РНК, которая несет информацию только про один белок: тот, который сейчас нужен. Это как если бы мы отправили посланника в офис, он бы включил компьютер, вставил флешку и скопировал нужный файл с жесткого диска. Этот процесс биологи и называют транскрипцией. Потом ему надо бы отнести флешку в другое помещение и использовать по назначению — например, напечатать фото из этого файла (т. е. сделать тот самый белок на основе скопированной информации).

Штука в том, что наш посланник слегка туповат. Если его не остановить, он будет просто сидеть и сидеть за столом, сливая файл в виде сотен копий на свою флешку. Чтобы все прошло гладко, необходимо вовремя остановить транскрипцию; биологи называют этот процесс без затей: терминация. А я в честь этой терминации и назвал мою заметку «Дело с концом» — очень остроумно, по-моему.

За терминацию отвечает особая машинка — белок, называемый Ро-фактор. Вот он:

Нудлер с коллегами смог узнать в деталях, как именно он работает, как именно выключает РНК-полимеразу и заставляет ее слететь с ДНК. Оказалось, не так, как думали раньше. Новое понимание дает нам кучу возможностей — от новых антибиотиков до принципиального увеличения производительности биотехнологий — например, когда мы заставляем бактерии делать человеческие белки (тот же инсулин).

Дальше уже совсем детали, но чтобы просто оценить красоту клеточных машинок, изучаемых биологами, посмотрите анимацию, на которой видны некоторые процессы в клетке (только колонки включите), а я под катом расскажу про Ро-фактор и терминацию.

Итак, перед нами ДНК (на риснуке — оранжевая двойная спираль), расплетенная в нужном месте; РНК-полимераза (сиреневый блин) сидит на ДНК (место их взаимодействия — зеленое пятно), двигается вдоль нее и строит молекулу РНК (она торчит влево в виде красного хвостика).

Серый бочонок — это Ро-фактор. Он садится на свежеизготовленную РНК, продергивает ее сквозь себя — и как-то взаимодействует с ней, ощупывает. Когда становится «пора», Ро-фактор тормозит транскрипцию и заставляет РНК-полимеразу слететь с ДНК. Как это происходит?

Раньше думали, что Ро-фактор скользит по РНК и стремится догнать РНК-полимеразу. Как только РНК-полимераза замедлит синтез РНК, у Ро-фактора появляется шанс, скользя вдоль готовой РНК, догнать РНК-полимеразу. Как только догонит — сразу развалит ее связь с ДНК. Какие именно узлы и шестеренки в обоих машинках задействованы — было неизвестно.

Оказалось, что все не так. Ро-фактор и РНК-полимераза всю дорогу находятся в едином комплексе — и Нудлер показал, как именно они слеплены. Когда наступает время заканчивать транскрипцию, Ро-фактор изменяет свою форму (Нудлер показал, как именно) и действует на РНК-полимеразу (Нудлер нашел, в какой точке): она тоже меняет свою форму и быстро останавливает транскрипцию. После этого (гораздо медленнее, уже в спокойной обстановке) Ро-фактор разваливает связь ДНК и РНК-полимеразы (Нудлер показал, как именно) — и Дело с концом (см заголовок).

Зная, как работает Ро-фактор, можно научиться выключать его у микробов; тогда эти наши враги будут не в силах оканчивать свои транскрипции — и любой «запрос» генетической информации будет приводить к перегрузке всей системы, а в итоге к трате ресурсов и гибели микробной клетки. Антибиотики, блокирующие Ро-фактор, уже найдены, но механизм, который открыл Нудлер, позволит сделать их специфичнее и эффективнее.

Кроме того, новые знания о Ро-факторе сделают гораздо «урожайнее» наши биотехнологии. Сегодня, когда бактериям вживляют людской ген и велят делать людской инсулин, синтез идет медленно: из-за того, что эти гены бактериям чужеродны, Ро-фактор часто терминирует транскрипцию почем зря. Теперь мы можем подрегулировать этот момент, сделать Ро-фактор менее чувствительным — и урожай резко повысится.