Древнее поселение Хампи в Южной Индии являет собой разительный контраст с такой благополучной столицей, как Лондон. Великолепный когда-то город, существовавший более тысячи лет и на пике своего могущества в начале XVI в. уступавший в пышности лишь Пекину, сегодня представляет собой неплохо сохранившиеся руины нескольких гранитных строений в полутора десятках миль от ближайшей железнодорожной станции. Некогда оживленные рынки и храмы, украшенные причудливой каменной резьбой, сегодня посещают лишь туристы с фотокамерами наперевес. Некогда здесь был Лондон своего времени: столица империи и процветающий центр торговли и культуры. Оказываясь в Лондоне, я просто не могу представить, что этот город когда-нибудь исчезнет, и жители Хампи, вероятно, чувствовали то же самое. Эта неспособность вообразить столь печальный конец распространяется у нас и на собственную личность. Даже зная, что состаримся и умрем, в обыденной жизни мы – если только не смертельно больны – ведем себя так, будто бессмертны.
Как мог такой процветающий оживленный город вроде Хампи прийти в упадок и прекратить существование? Во все эпохи вернейший путь к разрушению общества лежал через падение закона и порядка в результате утраты контроля со стороны правительства во время войны или народных волнений. И точно так же, как и в обществе, в биологии утрата контроля и регулирования ведет к распаду и гибели не только клетки, но и целого организма.
В отличие от человеческого общества с правительством во главе, в клетке нет центрального органа власти, который надзирал бы за тем, как выполняют свои функции тысячи ее компонентов. Но есть ли в клетке хотя бы какой-то аналог центра управления? Пожалуй, самое похожее на такой центр – это гены, которые находятся в ДНК. Характер генетической информации в ДНК и то, как она искажается со временем, чрезвычайно важны для понимания старения и смерти.
О генах как об отдельных единицах наследственности мы не знали до конца XIX в. Большинство из нас воспринимает гены как черты, которые мы наследуем от родителей и передаем детям. Говорят о хороших генах, выражающихся в положительных особенностях человека, и о плохих генах, которые несут болезни и дефекты. Но точнее будет описать гены как единицы информации. Они содержат информацию не только о том, как воспроизвести организм и передать его признаки, но и о том, как построить целый организм из одной клетки и обеспечивать его функционирование.
Наиболее важная информация, содержащаяся в генах, – это руководство по синтезу белка. Обычно мы думаем о белках как о необходимой составляющей нашего рациона, и еще мы знаем, что они необходимы для наращивания мышечной массы. На самом деле в нашем организме содержатся тысячи разных белков. Они не только придают телу форму и силу, но и участвуют в большинстве химических реакций, без которых жизнь невозможна. Белки регулируют движение молекул в клетку и из клетки. Они позволяют нашим клеткам (и нам самим) взаимодействовать друг с другом. Благодаря им мы можем видеть свет, чувствовать запахи, осязать окружающие предметы и ощущать тепло и холод. Наша нервная система нуждается в белках, чтобы передавать сигналы и даже для того, чтобы сохранять воспоминания. Антитела, с помощью которых мы боремся с инфекциями, – это тоже белки. Белки также помогают клетке производить все другие молекулы, которые ей необходимы, включая жиры и углеводы, витамины и гормоны, и – замыкая круг – даже наши гены. Белки вездесущи. И каждый из них синтезируется по инструкциям, записанным в гене.
Как именно хранится и используется генетическая информация, до относительно недавнего времени оставалось полной загадкой. Еще в 1940-е гг. ученые не понимали молекулярной природы генов. Сегодня мы знаем, что гены[76] хранятся в ДНК – длинной молекуле, состоящей из двух нитей (или цепей), закрученных друг вокруг друга в форме двойной спирали. У каждой нити есть остов, построенный из чередующихся групп, состоящих из остатка фосфорной кислоты и моносахарида (дезоксирибозы). Если бы ДНК состояла только из них, она бы ничем не отличалась от любой полимерной молекулы, например полиэтилена или других подобных полимеров, и не могла бы нести информацию. Но ДНК способна кодировать инструкции, потому что каждый моносахарид (дезоксирибоза) в этих чередующихся группах связан еще с одним из четырех азотистых оснований – аденином (A), гуанином (G), тимином (T) или цитозином (C). Звено (мономер), состоящее из остатка фосфорной кислоты, дезоксирибозы и одного из азотистых оснований, и есть строительный блок ДНК, так называемый нуклеотид.
Каждый такой блок можно представить как букву (по названию азотистого основания), а цепочку ДНК – как длинное предложение, записанное с помощью этого четырехбуквенного алфавита. Неожиданно выяснилось, что как определенная последовательность букв может сложиться в предложение, несущее смысл и информацию, так и в последовательности нуклеотидов ДНК закодирована определенная информация. Однако еще предстояло понять, как именно она кодируется. Перелом произошел в 1953 г., когда Джеймс Уотсон и Френсис Крик открыли трехмерную структуру ДНК. Как правило, структура молекулы позволяет лишь строить догадки о том, как она может работать, но с ДНК все иначе. Ее структура мгновенно дала ключ к тому, как последовательности оснований могут передавать информацию. Она изменила наше понимание генетики и создала предпосылки для нынешней революции в молекулярной биологии. Без нее у нас не было бы никакой надежды понять механизм жизни или открыть тайны, окружающие процесс старения.
Генетическая информация, которая хранится в хромосомах в виде ДНК, копируется (транскрибируется) в ядре в матричную РНК (мРНК). Затем мРНК из ядра перемещается в цитоплазму, где рибосомы считывают ее, чтобы производить белки
В молекуле ДНК две нити, идущие в противоположных направлениях, обвивают друг друга, образуя двойную спираль. У каждого из азотистых оснований в одной нити возникает химическая связь с находящимся прямо напротив него азотистым основанием в другой нити, причем весьма специфическим образом: A связывается только с Т и наоборот, а C – с G, поэтому образующиеся пары оснований называются комплементарными. Этим и объясняется магия ДНК: зная последовательность оснований в одной нити, можно точно определить ее в другой. Кроме того, это означает, что, если две нити разделить, в каждой будет информация для создания второй и мы сможем создать две точные копии оригинальной молекулы. Внезапно нашлось решение старой загадки: как получить две дочерние клетки, каждая из которых будет нести точно такую же генетическую информацию, что и материнская. Генетика теперь тесно связана с химией – мы смогли на молекулярном уровне понять, как генетическая информация дублируется и передается следующему поколению.
Тем не менее оставался без ответа второй вопрос: каким образом генетическая информация в ДНК кодирует строение белков. Обнаружилось, что участок ДНК (ген), который кодирует белок, копируется в промежуточную молекулу рибонуклеиновой кислоты (РНК). РНК тождественна ДНК, но с некоторыми важными отличиями. В отличие от ДНК, у нее есть только одна нить и в ней вместо моносахарида дезоксирибозы содержится моносахарид рибоза. Кроме того, в РНК тимин (Т) заменен урацилом (U), который несколько отличается по химическим свойствам, но так же, как и Т, образует комплементарные пары с аденином (A).
Представьте, что ДНК – это собрание всех наших генов, подобно тому как Британская библиотека или Библиотека Конгресса США – собрание всех книг, изданных в этих странах. Вряд ли в какой-то из этих библиотек вам выдадут на дом для чтения ценное издание XVIII в. Но нередко вам могут предложить взять с собой копию. Так же РНК представляет собой рабочую копию гена (участка ДНК), которой может воспользоваться клетка.
Не каждый участок ДНК, копируемый в РНК, кодирует белок. Некоторые РНК являются частью механизма, предназначенного для производства белков. Другие даже могут управлять этим процессом, включая или отключая те или иные гены. Однако, если РНК копируется с гена, кодирующего белок, она называется матричной (или информационной) РНК (мРНК или иРНК), потому что несет генетическую информацию о том, как строить этот белок. Об мРНК мы много слышали недавно в связи с вакциной от COVID–19. Эти вакцины изготавливаются из молекул мРНК, содержащих инструкции, как строить шиповидные белки, покрывающие поверхность вируса COVID–19. Когда эти молекулы вводятся в организм, клетки считывают записанные там инструкции и вырабатывают соответствующие шиповидные белки, которые, в свою очередь, обучают нашу иммунную систему противостоять настоящему вирусу COVID–19.
Как считываются инструкции в мРНК[77] для строительства белка, было великой загадкой, над которой ученые бились больше десяти лет. Проблема состояла в том, что белки тоже представляют собой длинные цепочки, но они состоят из совершенно других строительных блоков – так называемых аминокислот. В отличие от ДНК и РНК, которые имеют четыре типа азотистых оснований, в аминокислотах их по меньшей мере 20. Если представить, что белки – это предложения, записанные алфавитом из 20 букв, то как их можно закодировать, используя язык генов, состоящий всего из четырех букв? Решение, найденное для этой проблемы природой, состоит в том, что группа из трех оснований (букв) в мРНК считывается как кодовое слово (или кодон) – и каждое такое слово обозначает одну аминокислоту. Процесс считывания происходит в рибосоме, гигантской древней молекулярной машине, состоящей из почти полумиллиона атомов.
Я провел немалую часть своей жизни[78], пытаясь понять, как рибосома осуществляет сложный процесс трансляции – считывания генетической информации с мРНК для синтеза белка. Поражает то, что новая белковая цепочка, появляясь из рибосомы, содержит в своей последовательности аминокислот информацию, необходимую для того, чтобы белковая цепь свернулась, приняв определенную форму, обеспечивающую выполнение ее функций в организме. Это подобно тому, как если бы листы бумаги сами волшебным образом складывались в неповторимые фигуры в зависимости от того, какие слова написаны на каждом из них. Способность белковых цепочек сворачиваться в определенную форму и позволяет на основе одномерной информации, записанной в генах, строить сложные трехмерные структуры, составляющие клетку, и в конечном итоге – нас самих.
Ген содержит информацию не только о том, как создавать белок. Его часть, несущая эту информацию, называется кодирующей последовательностью, но ее обрамляют участки (некодирующие последовательности), которые указывают, когда начать создание белка, а когда прекратить, и даже – делать ли это быстро или медленно, продолжительное или недолгое время. Сигналы включаются и выключаются или химическими соединениями в окружающей среде данной клетки, или другими генами. Иначе говоря, гены действуют не в одиночку: они образуют гигантскую сеть со множеством других генов и иными элементами среды. Вот почему некоторые белки вырабатываются во всех наших клетках, а другие – только в клетках определенного вида, например в клетках кожи или нейронах. Поэтому некоторые белки производятся лишь на определенных этапах нашего развития от одной клетки до полноценного организма. Именно точная координация работы этой сети из тысяч генов и делает жизнь возможной.
Процесс жизни можно представить как сложнейшую программу, которая каким-то образом запускается, следуя «схемам сборки», записанным в ДНК.
Название «схема сборки» – удобная метафора, но не стоит понимать ее слишком буквально, поскольку схема подразумевает жестко заданный производственный процесс, в результате которого получается совершенно определенный продукт. Несомненно, ДНК – это центр управления, регулирующий выполнение общей программы клетки. Но клетка, на мой взгляд, работает скорее по принципу демократии, а не диктатуры. Как идеальное правление не авторитарно, а отвечает на запросы общества, меняющиеся со временем, так и ДНК не задает жестко весь процесс. Скорее, условия в клетке и в окружающей ее среде определяют, какие фрагменты ДНК задействовать, когда и как часто.
ПОНИМАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ совершило переворот в современной биологии, но какое отношение это имеет к старению? Если гены в ДНК задают программу, почему бы этой программе не работать вечно? Беда в том, что и сама ДНК со временем меняется и повреждается.
Разумеется, гены и мутации изучались задолго до того, как открыли ДНК. Но раньше заметить в организме генетическую мутацию можно было только по изменениям доступного для наблюдения признака организма. Сейчас мы знаем, что мутации – это просто изменения в последовательности оснований ДНК. Поменять основания ДНК – то же самое, что поменять буквы в предложении. Можыт быдь нам удасцо панядь вложенный афтарам смызл, но в других случаях даже замена одной буквы может все запутать или изменить смысл на прямо противоположный, как в случае со словами «суть» и «муть».
Теперь мы умеем секвенировать ДНК – то есть определять точную последовательность оснований в любой ее части – и можем видеть, что мутации происходят все время. Многие из них не имеют никаких доступных для наблюдения последствий. Это происходит, например, потому, что после изменений в ДНК ген продолжает работать без перебоев или в организме есть дублирующие гены и, если один поврежден, другие компенсируют этот дефект. Однако некоторые мутации оказываются в той или иной степени вредными, потому что приводят к появлению дефектных белков или к производству нормальных белков не в том количестве и не в то время.
Иногда мутации могут быть полезны для организма. Например, если мутация происходит в половых клетках, она может в некоторых случаях давать потомству преимущество, способствующее его выживанию. Виды, особи которых не отличаются друг от друга, могут вымереть от болезни – как, например, вязы, пораженные грибковой болезнью, – или от внезапных изменений климатических и природных условий. Мутации могут также способствовать генетическому разнообразию в популяции, сделав ее более устойчивой в результате того, что некоторые генетические линии в меняющихся условиях выживают лучше, чем другие. Без мутаций не было бы эволюции и жизнь (а значит, и мы с вами) так и не произошла бы из первобытных молекул. Таким образом, клетки должны находить баланс, при котором допускается такое число мутаций в клетках зародышевых линий, при котором сохраняется вариативность и возможность эволюции, но при этом не допускаются лишние мутации в соматических клетках, чтобы не нарушать сложный процесс жизни.
В обществе нарушение законности и порядка может привести к хаосу, массовому голоду и даже гибели целых городов и культур. В неспокойные времена самые опасные преступники часто используют нестабильность ситуации, чтобы узурпировать власть и обречь народ на беды. Подобным же образом и в биологических процессах утрата центрального управления может привести к упадку и гибели, а также к самым разным болезням. Один из самых страшных примеров неповиновения клеток – рак, при котором поврежденные клетки больше не сдерживаются соседними клетками, а начинают бесконтрольно делиться и захватывают ткани и целые органы, нарушая их функционирование. В этом смысле между раком и старением есть тесная связь: и тот и другой процесс начинается из-за утраты биологического контроля, и изначальной причиной в обоих случаях часто служат мутации в генах, возникшие вследствие изменений в ДНК.
ЗАДОЛГО ДО ТОГО, КАК МЫ УЗНАЛИ О СУЩЕСТВОВАНИИ ДНК, выдвигались предположения, что изменения, которые сегодня известны нам как генетические мутации, могут вызываться факторами окружающей среды. Еще в XVIII в.[79] английский хирург Персиваль Потт установил, что у британских трубочистов, среди которых было много детей, наблюдалась аномально высокая заболеваемость раком яичек. Он решил, что все дело в постоянном воздействии на их организм сажи и смолы от сжигаемого угля. В 1915 г. патолог Ямагива Кацусабуро, профессор Токийского университета, доказал, что нанесение каменноугольной смолы на уши кроликов вызывает у них рак кожи. Эти продукты сгорания угля затем будут классифицированы как агенты, вызывающие рак, или канцерогены, но в то время, когда Потт высказал свое предположение, никто даже приблизительно не понимал природу рака, и после публикации результатов наблюдений Кацусабуро потребовалось еще несколько десятилетий, чтобы установить связь между раком и генетическими мутациями.
Первое прямое доказательство того, что факторы окружающей среды вызывают мутации, нашел Герман Мёллер, ученый, который в течение своей жизни поразительно часто переезжал с места на место. Американец в третьем поколении, он вырос в Нью-Йорке[80] и в 16 лет уже поступил в Колумбийский колледж (ныне Колумбийский университет), который окончил в 1910 г. В том же колледже защитил диссертацию, работая со знаменитым генетиком Томасом Морганом, который в экспериментах на дрозофилах доказал, что гены в наших клетках находятся в хромосомах.
Позже Мёллер перешел в Техасский университет, где в 1926 г. провел важнейший эксперимент, облучая дрозофил все более жестким рентгеновским излучением. С повышением дозы радиации у мушек резко возрастало число летальных (смертельных) мутаций. И даже умеренное облучение вызывало в 35 000 раз больше мутаций[81], чем это происходит спонтанно. Исследования Мёллера существенно продвинули генетику: он нашел легкий способ вызывать мутации и одновременно привлек внимание к опасности рентгеновского излучения и других видов радиации. В те дни рентгенографию использовали довольно беспечно – даже в обувных магазинах обычной практикой было просвечивать ноги покупателя во время примерки.
Как и многие генетики начала XX в., Мёллер бо́льшую часть жизни был сторонником евгеники, видя в ней путь к улучшению человеческой расы. В отличие от большинства евгенистов, он придерживался относительно левых взглядов, разочаровавшись в капитализме после Великой депрессии. Он привлекал к работе в лаборатории ученых из Советского Союза и на посту куратора факультета помогал редактировать и распространять студенческую газету левого толка The Spark («Искра»), что побудило ФБР начать против него расследование.
Отчасти из-за этого в 1932 г. Мёллер переехал из США в Берлин. Но через год, напуганный усилением гитлеризма, он перебрался в Советский Союз, надеясь, что там обстановка более соответствует его левым взглядам. Он провел год в Ленинграде, затем еще несколько лет в Москве. Однако не мог смириться с возвышением Трофима Лысенко, шарлатана от биологии, втершегося в доверие к Сталину. По мнению Лысенко, генетика противоречила социализму, но сам он при этом выдвинул ряд безумных идей в области агрономии, используя свою власть, чтобы безжалостно подавлять и уничтожать любых ученых, осмелившихся усомниться в его теориях. Мёллер считал, что в результате его деятельности миллионы людей погибли от голода, а биология была отброшена на многие десятилетия назад. Сам Мёллер и другие генетики старались противостоять Лысенко, но в конце концов из-за своих воззрений как на генетику, так и на евгенику он навлек на себя гнев Сталина и был вынужден уехать из СССР.
Не решившись возвращаться в Штаты, где ФБР все еще вело в отношении него расследование, Мёллер в 1937 г. начал работать в Институте генетики животных Эдинбургского университета. Там его исследования помогли сделать еще одно важное открытие. Мёллер присоединился к весьма примечательной группе ученых, в которой было много людей, бежавших от тоталитарных режимов, а руководил ими пионер медицинской генетики Фрэнсис Крю.
Одна из ведущих специалистов группы Крю[82], Шарлотта Ауэрбах, родилась в немецком Крефилде в семье ученых-евреев. Лотта, как ее чаще всего называли, обладала независимым умом и не любила, когда ей указывали, что делать. В Берлине, после того как профессор отказал ей в просьбе изменить тему диссертации, Шарлотта просто ушла из университета и стала работать школьным учителем. Преподавать и поддерживать дисциплину в классе показалось Лотте слишком утомительным занятием, возможно, не в последнюю очередь из-за растущего в то время антисемитизма. В 1933 г. 34-летнюю Шарлотту без церемоний уволили из-за еврейского происхождения – и это, как оказалось, обернулось к лучшему. По совету матери Шарлотта покинула Германию и с помощью друзей семьи устроилась на работу в Институт генетики животных, где смогла закончить диссертацию, работая в группе Крю. В 1939 г. она получила гражданство Великобритании, позже, в том же году, в Эдинбург приехала и ее мать, без вещей и без гроша в кармане, сумев вырваться из Германии за две недели до того, как разразилась Вторая мировая война.
Первая попытка Крю уговорить Мёллера и Ауэрбах работать вместе успехом не увенчалась. Представляя Шарлотту, Крю сказал Мёллеру: «Это Лотта, она будет заниматься у вас цитологией». Но Ауэрбах, отличавшаяся независимостью характера, совершенно не намеревалась тратить время на изучение клеток под микроскопом и отказалась это делать. Мёллеру же она объявила, что ее интересует совершенно иное: каким образом гены определяют развитие. Мёллер, к его чести, ответил, что тоже не был бы рад, если бы над проектом с ним работал человек, которому это не интересно. Однако он убедил Шарлотту, что, если она намерена всерьез исследовать роль генов в развитии, ей необходимо вызывать в них мутации и изучать последствия.
Приблизительно в то же время один из коллег Ауэрбах, Альфред Кларк, обнаружил, что солдаты, подвергшиеся в Первую мировую войну воздействию иприта, страдали язвами и нарывами, похожими на те, которые вызывает рентгеновское облучение. Ауэрбах и Кларк с коллегами стали воздействовать на дрозофил ипритом и изучать возникающие мутации, используя предложенный Мёллером метод. Об увлеченности этих ученых своим делом красноречиво говорит то обстоятельство, что опыты они проводили на крыше фармакологического факультета в холодном, ветреном и дождливом Эдинбурге. Сегодня такие условия не прошли бы проверку в отношении охраны труда и техники безопасности на рабочем месте: дрозофил обрабатывали газом в колбах, а затем лаборанты извлекали их оттуда голыми руками, получая серьезные ожоги. Как бы то ни было, результат они получили вполне однозначный. Воздействие иприта на дрозофил приводило к десятикратному росту числа летальных генетических мутаций, а значит, химические вещества, как и радиация, могут вызывать мутации.
ИССЛЕДОВАНИЯ МЁЛЛЕРА И АУЭРБАХ ПОКАЗАЛИ, что наша генетическая программа повреждается при воздействии факторов окружающей среды, например радиации или химических веществ. В то время не было даже известно, что ДНК является носителем наследственной информации и тем более – что записанная там информация может быть искажена. Однако после того, как Уотсон и Крик открыли[83] структуру молекулы ДНК в виде двойной спирали, закономерно возник другой вопрос: каким образом эти факторы вызывают изменения в ДНК, приводящие к мутациям?
До Второй мировой войны исследования влияния радиации на живые организмы не пользовались особым вниманием у представителей биологических наук. Но когда мир увидел чудовищные последствия, вызванные двумя атомными бомбами, сброшенными в августе 1945 г. на Японию, правительство США начало проявлять большой интерес к этой почти заброшенной области науки. После войны многие организации, которые были привлечены к участию в Манхэттенском проекте по разработке ядерного оружия, были преобразованы в исследовательские институты радиационной биологии. Среди них была Ок-Риджская национальная лаборатория в Теннесси – место, где первоначально в больших объемах производился изотоп урана, который использовался в бомбе, взорванной над Хиросимой. Находящийся вдали от крупных национальных научных центров на северо-востоке и на западном побережье страны, Ок-Ридж расположен между живописным горным массивом Камберленд и горами Смоки-Маунтинс. Красоты дикой природы и щедрое государственное финансирование позволили Александру Холлендеру, ведущему радиобиологу того времени, привлечь к работе в Ок-Ридж многих замечательных ученых, в том числе Дика и Джейн Сетлоу.
Ричард и Джейн Сетлоу познакомились во время учебы в Суортмор-колледже в 1940-е гг. и вскоре поженились. Холлендер обратился к ним в 1960 г.; Дик в то время работал в Йельском университете[84] на факультете биофизики. Это один из старейших в стране биофизических институтов, но Холлендер переманил Дика Сетлоу с помощью хитрого хода: он предложил еще и Джейн, которая временно работала в другом месте, перейти к нему на постоянную должность. В те годы даже женщинам с ученой степенью редко открывалась возможность трудиться наравне с мужчинами и они обычно оказывались в ассистентах у какого-нибудь ученого мужского пола, зачастую – мужа. Уловка Холлендера сработала. Дик и Джейн стали ведущими специалистами в своей области, работая иногда вместе, но часто независимо друг от друга. Кроме того, они растили четверых детей и совершали походы в горы в окрестностях Ок-Риджа в поисках окаменелостей, пока лет через пятнадцать не перебрались в другую национальную лабораторию, в Брукхейвене на Лонг-Айленде.
Именно там я впервые встретился с ними в 1982 г. Меня пригласили работать в лаборатории, которой в то время заведовал Дик Сетлоу. Возможно, мне помогло отчаянное стремление покинуть Ок-Ридж после всего лишь пятнадцати месяцев, проведенных там: обещанные мне ресурсы так и не были предоставлены. Дик, который и сам перевелся оттуда, отнесся к моему маневру с пониманием. Хотя супругам Сетлоу было тогда всего лишь около 60 лет, мне, в мои 31 год, они казались доисторическими ископаемыми вроде тех, которые они коллекционировали. Как и некоторые более традиционные молекулярные биологи, я сильно недооценивал важность их работы и жалею теперь, что, имея такую возможность, не поговорил с ними об их открытиях. Для меня это еще одно напоминание о том, насколько зашорены большинство ученых, которые почти не интересуются тем, что происходит за пределами их узкой области интересов.
Еще до открытия рентгеновских лучей нам были знакомы и другие виды излучения. В 1877 г. британские ученые Артур Даунз и Томас Блант обнаружили, что солнечные лучи могут убивать бактерии[85]. В начале двадцатого столетия Фредерик Гейтс доказал, что такое воздействие оказывает коротковолновая составляющая солнечного света – ультрафиолетовое излучение. А вскоре после того, как Мёллер продемонстрировал, что рентгеновские лучи могут вызывать генетические мутации, ученые начали также изучать ультрафиолет: в конце концов, его легче получить и не так опасно иметь с ним дело. Они обнаружили, что при равных дозах ультрафиолетовое излучение вызывает даже больше мутаций. Свою научную деятельность в лаборатории в Ок-Ридже Дик и Джейн начали с того, что попытались выяснить, как именно УФ-излучение вызывает мутации в ДНК. Одним из открытий, вызвавших у них особый интерес, было то, что ультрафиолетовое излучение вызывает объединение двух соседствующих тиминов (T-оснований) в цепочке ДНК. Практически в любой последовательности ДНК иногда встречаются два рядом расположенных тимина, и под воздействием УФ-излучения они каким-то образом сливаются воедино, так что два отдельных основания начинают работать как одно целое, но состоящее из двух строительных блоков, которое называют тиминовым димером, или, иногда, тимидиновым димером, если имеется в виду более крупный элемент, включающий также и сахар, к которому присоединен тимин. Может быть, именно таким способом ультрафиолетовое излучение инактивирует ДНК и убивает бактерии?
В ходе экспериментов супруги Сетлоу внедряли в бактерию чужеродную ДНК. Тем самым ученые могли вносить в бактерию ген, придававший ей новые особенности, такие как способность расти, не получая питательных веществ, которые обычно ей необходимы, или устойчивость к антибиотикам. Однако, когда они попытались[86] вводить ДНК, содержащую тиминовые димеры, то создавалось впечатление, что она неактивна. В дальнейшем Дику удалось доказать, что димеры препятствуют копированию ДНК и поэтому новая ДНК не может быть синтезирована.
Следующий эксперимент оказался еще более примечательным. Дик и его коллеги обнаружили[87], что вскоре после облучения ультрафиолетом тиминовые димеры полностью исчезали из ДНК. Эти димеры, включая комплекс из остатка фосфорной кислоты и моносахарида, к которому присоединено основание, вырезались, а недостающий участок достраивался, как при копировании ДНК, с использованием второй нити в качестве матрицы. Научные открытия не совершаются в вакууме. В определенный момент накопленные знания достигают такого уровня, когда становятся возможными дальнейшие достижения, поэтому новые прорывы нередко совершаются учеными одновременно. В том же 1964 г.[88], когда Сетлоу сообщил о своем открытии, к тем же выводам пришли и две другие исследовательские группы, под руководством Пола Ховарда-Фландерса и Филипа Хэнеуолта. Все полученные данные подтверждали, что у клетки, очевидно, есть механизм, позволяющий не только распознавать тиминовые димеры, но и исправлять этот дефект с помощью процесса так называемой эксцизионной репарации.
Эксцизионная репарация была обнаружена и в другом случае. Еще в 1940-е гг. ученые поняли, что можно обратить вспять последствия облучения бактерий ультрафиолетом, подвергая их воздействию видимого света. После этого бактерии, рост которых был подавлен, вновь начинали размножаться. Экстракты из бактерий, облученных видимым светом, могут восстанавливать поврежденную ДНК. Какой процесс лежал в основе этого, оставалось загадкой[89], пока к поискам не подключился Азиз Санджар, турецкий врач и ученый, выявивший механизм репарации тиминовых димеров, в котором задействован другой фермент. Как ни странно, у бактерии Haemophilus influenzae, у которой Дик Сетлоу обнаружил тот же вид репарации, этот механизм отсутствует (как и у человека), а иначе Сетлоу мог бы и не сделать своего открытия, о котором мы говорили выше. И уже само то, что природа изобрела два совершенно разных способа устранять тимидиновые димеры, показывает, насколько важна репарация ДНК.
Результаты этих экспериментов убедительно доказали, что клетка способна восстанавливать поврежденную ДНК. Но нам самим редко приходится подвергаться воздействию интенсивного рентгеновского излучения. Одежда и пигмент меланин в коже защищают нас от избытка ультрафиолета. И мы достаточно осведомлены, чтобы держаться подальше от иприта, битума и других вредных веществ, с которыми человек никогда не сталкивался в дикой природе в доисторические времена. Тем не менее эти механизмы восстановления поврежденной ДНК развились в ходе эволюции миллиарды лет назад и присущи любой форме жизни.
Оказалось, что даже в обычной жизни, когда мы не имеем дела с радиацией и опасными химикатами, наша ДНК постоянно подвергается вредным воздействиям. Человеком, который больше, чем кто-либо другой, сделал для того, чтобы мы это поняли, был шведский ученый Томас Линдал. Будучи научным сотрудником в Принстонском университете, он исследовал относительно небольшую молекулу РНК, и, к его досаде, эта молекула постоянно разрушалась.
Как мы уже говорили, сахар в молекуле РНК представлен рибозой, а не дезоксирибозой, как в ДНК. От дезоксирибозы рибоза отличается наличием одного дополнительного атома кислорода. Этот атом делает РНК гораздо более нестабильной, но зато позволяет ей формировать сложные трехмерные структуры, способные участвовать в особых химических реакциях. Именно эти ее свойства дают ученым основания полагать, что при зарождении жизни в первичном бульоне именно РНК запускала химические реакции и несла генетическую информацию. Так как жизнь эволюционировала, приобретая более сложные формы, столь нестабильная молекула уже не годилась для хранения все более крупных геномов, поэтому для хранения генетической информации стала использоваться более стабильная ДНК.
Линдал знал, что ДНК стабильнее, чем РНК, но хотел выяснить насколько. Она должна быть достаточно стабильной, чтобы передавать информацию без заметных искажений следующему поколению – через клетки зародышевой линии или пройдя через миллиарды клеточных делений, необходимых для того, чтобы из одной клетки вырос целый зрелый организм. Это весьма продолжительный срок[90].
Изучая ДНК в разных условиях, Линдал выяснил, что с течением времени некоторые основания у них менялись. Самым распространенным изменением оказалось превращение цитозина (C) в другое основание, урацил (U), которое обычно присутствует в РНК (напомним, что U в РНК находится на том месте, где в ДНК стоит Т, тимин). Проблема состоит в том, что, как и T, U образует комплементарные пары с аденином (A), как C – с G. И превращение С в U – все равно что замена буквы в предложении-ДНК. Если в геноме произойдет много таких замен, то закодированные в нем инструкции в какой-то момент лишатся смысла.
Линдал также обнаружил, что замену C на U может вызвать всего лишь контакт с водой – самая обычная ситуация для всех биомолекул в клетке. За один день вода может вызвать около 10 000 изменений в ДНК в каждой из клеток организма. Позже Линдал подсчитал[91], что, с учетом всех форм спонтанного повреждения, в ДНК каждой из клеток нашего организма ежедневно происходит около 100 000 изменений. Трудно представить, как могла бы сохраниться жизнь, если бы набор инструкций, обеспечивающих ее продолжение, искажался с такой скоростью. Очевидно, должен существовать механизм исправления и этих ошибок. В следующие десятилетия Линдал и другие ученые выясняли, как именно это происходит.
Гораздо более серьезная форма повреждения ДНК возникает, когда обе ее нити разрываются и молекула распадается на две части, которые нужно заново соединить. Иногда даже происходят множественные разрывы на разных хромосомах. Это может привести к страшной путанице, когда половина одной хромосомы соединяется с половиной совершенно другой хромосомы или когда оторванный фрагмент вставляется на место задом наперед. Если снова представить ДНК как текст, состоящий из предложений, то изменения отдельных оснований подобны опечаткам: иногда они могут исказить смысл, но обычно мы его все-таки понимаем. Если же некорректно исправить разрыв двойной нити, то это все равно что из длинного текста вырезать предложения или целые абзацы, а потом вставить обратно в текст в случайном порядке. Иногда смысл текста еще можно понять, но в других случаях он окажется полной ерундой. Так что для клетки жизненно важно сращивать концы разорванной ДНК сразу, как только она их обнаружит, желательно до того, как произойдет множественный разрыв. Особые белки распознают разрывы и соединяют концы, восстанавливая целую молекулу ДНК. В этом процессе учитывается последовательность ДНК на концах оборванных нитей, и, если в клетке одновременно происходит не один разрыв, а несколько, всегда есть вероятность, что соединяемые концы перепутаются. Когда в геноме возникает такая путаница, это может привести к различным проблемам. Одна из них – утрата функции, когда клетка плохо справляется или вовсе не справляется со своей задачей. В других случаях происходит искажение или потеря сигналов, управляющих генами. В результате клетки начинают делиться бесконтрольно, что приводит к развитию рака.
Люди относятся к диплоидным организмам, то есть имеют по две копии каждой хромосомы. Более распространенный и точный способ восстановления разрывов двойной нити – это использование неповрежденной ДНК из другой хромосомы для образца. Даже у таких организмов, как бактерии, во время деления клетки и дупликации ДНК нередко присутствует вторая копия. Так или иначе, механизм репарации выстраивает разорванные фрагменты напротив соответствующих участков второй (целой) копии ДНК, создавая сложную структуру, в которой переплетаются все четыре нити. Это надежнее, чем просто захват обрывков и соединение их случайным образом, потому что этот механизм проверит, те ли концы соединяются. Именно таким способом восстанавливается целостность генома и заполняются любые пробелы, которые могут возникнуть, если оборванные концы повреждаются.
Наш геном может подвергаться мутациям не только в результате воздействия химических веществ. При каждом делении клетки должен копироваться весь геном, а это примерно то же самое, что скопировать текст длиной в 3 млрд букв. В биологии ни один процесс никогда не происходит безукоризненно точно. И как в случае с переписыванием текста от руки или набором на клавиатуре, чем больше ты торопишься, тем больше делаешь ошибок. ДНК-полимеразы – ферменты, реплицирующие ДНК, – работают невероятно точно и, более того, могут проверять свою работу, так сказать, исправлять ошибки по ходу дела. Впрочем, ошибки все-таки случаются – примерно одна на миллион букв. Для генома из нескольких миллиардов знаков это означает, что при каждом делении клетки случается несколько тысяч ошибок. Клетка не может делиться бесконечно, и в реальности всегда достигается компромисс между скоростью и точностью. Неудивительно, что клетка[92] создала сложнейший механизм для исправления этих ошибок.
Пол Модрич в ходе целой серии тщательно продуманных экспериментов[93] установил, каким образом ферменты в клетках бактерий распознают несоответствие, вырезают участок новой нити, содержащий ошибку, и заполняют этот пробел так, чтобы ошибка была исправлена. Сегодня достоверно установлено наличие этого механизма у бактерий, но ученые все еще не пришли к согласию в отношении того, как такого рода ошибки исправляются у высших организмов, например у человека.
Научному сообществу потребовалось немало времени, чтобы осознать всю важность повреждений и восстановления ДНК. Мёллер получил Нобелевскую премию в 1946 г., через целых 20 лет после того, как открыл, что воздействие рентгеновских лучей вызывает мутации. Но к 2015 г., когда Линдал, Санджар и Модрич получили Нобелевскую премию по химии, тема репарации ДНК уже давно не считалась маргинальной. В настоящее время общепризнано, что этот процесс критически важен для всех живых организмов, а также для понимания механизмов развития рака и старения. Как и в большинстве областей науки, эти открытия опирались на работу сотен ученых из различных лабораторий во многих странах мира, однако Нобелевскую премию разрешается[94] разделить не более чем между тремя номинантами, так что комитету достается незавидная работа выбрать для награждения трех наиболее важных, и не всегда без споров. Премия также не присуждается посмертно, а Дик Сетлоу, как ни печально, умер в возрасте 94 лет – за несколько месяцев до объявления лауреатов.
За годы работы ученые выделили множество различных репаративных ферментов. Многие из них, по сути, одинаковы для всех форм жизни, от бактерий до человека. Репарация ДНК настолько важна для жизни, что появилась миллиарды лет назад, еще до того, как разделились эволюционные линии бактерий и эукариотов. Поддержание стабильности генома и записанных в нем инструкций критически важно для клетки и требует постоянного наблюдения и исправления ошибок. Эти репаративные ферменты можно считать защитниками нашего генома.
Повреждения ДНК происходят непрерывно, и поэтому любой дефект в самом механизме репарации особенно опасен, ведь это значит, что повреждения будут быстро накапливаться. Неудивительно, что многие мутации в генах, кодирующих белки, которые участвуют в репарации ДНК, часто связаны с раком: например, мутации в гене BRCA1 предрасполагают женщин в основном к раку молочной железы и яичников. Дефекты механизма репарации также приводят к старению, но поскольку вероятность развития рака повышается с возрастом, то эти два следствия трудно разделить. Наверное, никто другой не исследовал так всесторонне связь дефектов механизма репарации ДНК и преждевременного старения организма, как нидерландский ученый Ян Хоймакерс. Одно из заболеваний, которые он изучал[95], – синдром Коккейна, характеризующийся симптомами, которые обычно ассоциируют со старостью, такими как нейродегенерация, атеросклероз и остеопароз. У женщин[96] нарушение реакции клетки на повреждения ДНК может влиять на возраст наступления менопаузы. В целом чем эффективнее наш организм способен восстанавливать ДНК, тем успешнее он противостоит старению.
ОБНАРУЖИВ СЕРЬЕЗНОЕ ПОВРЕЖДЕНИЕ ДНК, клетка запускает процесс, называемый «ответом на повреждение ДНК». И это не всегда хорошая новость: ответ на повреждение зачастую влияет на старение сильнее, чем само повреждение. Иногда клетка[97] переходит в состояние сенесцентности, в котором она не способна больше делиться, а в крайних случаях вынуждена совершить самоубийство. Представляется странным, что жизни в процессе эволюции понадобилось развить механизм убийства собственных клеток, но одной клеткой среди миллиардов, составляющих организм, всегда можно поступиться. В то же время, если клетке позволить превратиться в раковую, она может размножиться и в какой-то момент убить весь организм. Как гибель клетки, так и переход в сенесцентное состояние – важные факторы старения, особенно второе, и в последующих главах мы расскажем о них гораздо подробнее. Пока же отметим, что ответ на повреждение ДНК – это развившийся в процессе эволюции механизм, уравновешивающий риски между развитием рака и старением. Это еще один механизм, который должен помогать нам в начале жизни, даже если позже, когда мы уже передадим свои гены потомству, нам придется за это заплатить.
Главную роль в ответе на повреждение играет белок, называемый p53, – кодируемый геном-супрессором опухолей ТР53. Этот белок настолько важен, что его нередко называют «стражем генома». Почти 50 % всех случаев рака связаны с мутацией в этом гене, а при некоторых формах рака этот показатель достигает 70 %. Обычно p53 связан с белком-партнером и неактивен. Кроме того, он постоянно возобновляется в клетке – непрерывно производится и быстро разрушается. В случае повреждения ДНК p53 активируется и начинает накапливаться. Высвобождаясь из связки с белком-партнером, он мгновенно включается в работу и запускает экспрессию множества генов – в данном контексте экспрессия генов означает производство функциональных белков на основе информации, закодированной в этих генах. Некоторые из этих генов кодируют белки, предназначенные для репарации ДНК. Другие останавливают деление клетки, чтобы дать генам репарации возможность выполнить свою функцию. Если повреждение слишком обширно[98], p53 может активировать гены, вызывающие гибель самой этой клетки.
Возможно, р53 является ключом к парадоксу Пето – странному явлению, замеченному в 1970-е гг. британским эпидемиологом Ричардом Пето. Крупные животные, такие как слон или кит, могут иметь в сотни раз больше клеток, чем люди. Даже с учетом их замедленного метаболизма это означает гораздо более высокий риск того, что какая-то из клеток мутирует и превратится в раковую. Тем не менее эти крупные млекопитающие обладают удивительной устойчивостью к раку и живут почти столько же, сколько и мы, и даже дольше. Люди наследуют по одной копии[99] гена, кодирующего p53, от каждого из родителей, но оказалось, что у слонов таких копий двадцать. И потому клетки этих животных способны распознавать малейшее повреждение ДНК и, обнаружив его, совершают самоубийство. Ученые всегда стремятся точно установить причину самого явления, поэтому они решили выяснить, что происходит при увеличении доли репарационных генов у животных других видов. Любопытный факт: исследования[100] на дрозофилах показали, что повышенная экспрессия генов репарации действительно увеличивает продолжительность жизни – но только в том случае, если гены были активны в течение всей жизни мушки. Если же эти гены не активируются до наступления зрелости, такого эффекта не возникает.
У ряда видов-долгожителей[101], о которых мы упоминали в главе 2, например у некоторых китов и гигантских черепах, также наблюдаются необычные вариации в числе и в типах генов-супрессоров опухолевого роста. Возможно, в ином случае они бы умирали от рака в гораздо более молодом возрасте. В целом, скорее всего, существует выраженная корреляция между высокой активностью генов репарации ДНК и продолжительностью жизни. Люди и голые землекопы[102], способные жить до 120 и 30 лет соответственно, имеют более высокую экспрессию генов репарации ДНК и связанных с ними сигнальных путей, чем мыши, которые живут лишь 3–4 года. Нам еще предстоит выяснить, обладают ли люди-долгожители необычайно эффективными механизмами репарации ДНК.
Как ни парадоксально, многие новые методы лечения рака[103] основаны на подавлении репарации ДНК. Дело в том, что раковые клетки имеют дефекты в некоторых механизмах репарации, поэтому ингибирование других путей восстановления не оставляет им никаких возможностей. Не в состоянии исправить собственную ДНК, раковые клетки отмирают. Однако это лишь краткосрочное решение для борьбы с агрессивными видами рака; как правило, блокировка репарации на долгий срок на самом деле повышает для организма риск развития рака и старения. Из-за сложной взаимосвязи, существующей между старением и онкологическими заболеваниями, использование наших знаний о повреждении и репарации ДНК для предотвращения старения является непростой задачей.
Хотя использовать репарацию ДНК непосредственно для продления жизни трудно, знания об этом процессе лежат в основе современного понимания практически всех процессов старения. Гены, по сути, управляют всем процессом жизни: они определяют, какой белок, когда и в каком количестве произвести; жить ли клеткам дальше или прекратить делиться; насколько эффективно клетки ощущают питательные вещества в окружающей их среде и реагируют на них; как различные молекулы и клетки взаимодействуют друг с другом. Гены контролируют иммунную систему, которая должна поддерживать хрупкий баланс и реагировать на вторжение патогенов, не вызывая хронического воспаления.
Непосредственное повреждение ДНК и кажущаяся парадоксальной реакция клетки на него – это лишь один из сценариев, по которым наша генетическая программа может изменяться и запускать старение. Дело в том, что у нашей ДНК есть две особенности. Во-первых, ее концевые сегменты имеют важное значение и они защищены, поскольку разрывы в них могут вызвать серьезные последствия. Во-вторых, то, как используется геном, не зависит исключительно от последовательности оснований в самой ДНК. При этом ДНК существует в тесном единстве с древними белками, так называемыми гистонами, и как она сама, так и ее белки-партнеры могут изменяться под воздействием факторов окружающей среды, влияя на то, как используются наши гены. Оказывается, что наш геном не является чем-то неизменным, а может меняться на ходу.