Фермент ревертаза: его значение в биологии

В 70-х годах прошлого века был открыт фермент с труднопроизносимым названием — РНК-направляемая-ДНК-полимераза. Уже по самому его названию видно, что здесь замешаны и ДНК, и РНК — оба главных героя наследственности живых существ на нашей планете. Напомним, что ДНК — вещество наследственности, которое хранит в себе запись генетической информации, а РНК — вещество-посредник: при его помощи генетическая информация прочитывается и используется в клетках живого организма.

Свойства вновь открытого фермента оказались поистине поразительными: он в обратном направлении (!) осуществлял синтез на одном из этапов развертывания наследственной информации. (Кстати, отсюда более простые названия фермента: обратная транскриптаза, или ревертаза.)

Фермент управлял синтезом ДНК по шаблону РНК, так сказать, «обратным синтезом» — о нем ученые прежде лишь подозревали, и он обещает стать новой краской на картине наших представлений о жизни.

Вероятно, читателю-неспециалисту по краткому изложению дела нелегко составить себе представление о том, какая необычная тайна природы открылась тут биологам. Поэтому совершим небольшой экскурс в область генетики.

В наши дни стало уже привычным утверждение, что родители передают по наследству информацию своим потомкам в виде генетических программ развития и жизнедеятельности, зашифрованных в тонких нитях ДНК, которые тщательно упакованы в глубине хромосом. Допустим, что это утверждение теперь не только привычно, но и более или менее понятно. Тогда — вопрос: что же передается в наследственных программах, какая информация? Есть ли в ней, например, ген роста и записано ли в нем прямо, что потомок, которому передается этот ген, должен иметь рост обязательно 160 или 180 сантиметров? Нет.

В наследственных программах содержится информация только о том, какие белки предок передает своему потомку. И уже этими, так сказать, белковыми нитями вышивается богатый и разнообразный узор жизни.

Наследственная программа, которую потомок получает у самых истоков своей жизни,— лишь совокупная информация о наборе из десятков тысяч белков, которым суждено воплотить будущую жизнь, и об индивидуальных свойствах этих белков. А еще — тысячи программ, указывающих, когда, в какой именно момент жизни организма, на каком этапе его развития должен производиться тот или иной сорт белковых молекул. Каждая из этих программ, тоже записанных на нитях ДНК, включается и работает опять-таки при помощи различных специальных белков.

Теперь второй вопрос: как наследственная программа реализуется? Как запись на нитях ДНК расшифровывается и преобразуется в сложную белковую молекулу, причудливо изогнутую в пространстве?

Схема синтеза такова: ДНК—РНК—БЕЛОК

Наследственная программа записана на нитях ДНК сотнями тысяч или даже миллионами генов. Ген — это участок нити ДНК, имеющий целостный смысл, он подобен, например, отдельному слову во фразе.

А теперь представьте себе довольно простую схему синтеза, хотя, конечно, она очень сложно реализуется в жизни клетки. Возьмем для примера ген глобина — белка, входящего в состав эритроцитов крови, где он (присоединив к своей молекуле атом железа и став гемоглобином) транспортирует кислород из легких в различные уголки организма.

Начинается процесс синтеза. Группа белков-ферментов выстраивает вдоль гена глобина вторую — параллельную ниточку: копию гена (материалом для нее служит РНК). Затем с помощью других ферментов ниточка РНК отсоединяется от ДНК, переносится к месту синтеза, где еще одна группа ферментов строит вдоль нее молекулу белка.

Словом, в нашем сознании простая схема — ДНК—РНК—БЕЛОК — должна обрасти теперь целой плеядой ферментов, ведь именно они и выполняют все операции синтеза, а роль ДНК и РНК исключительно проста: они содержат в себе информацию для синтеза. Содержат — и ничего более.

И, наконец, еще одно замечание. В течение последних двадцати лет — в эпоху расцвета молекулярной биологии и генетики — в науке утвердилась догма, согласно которой в процессе синтеза информация может передаваться только в одном направлении — слева направо:

ДНК>РНК>БЕЛОК

Получившая название центральной догмы современной молекулярной биологии, эта формула исполнена глубокого смысла. Она четко и просто показывает схему организации самых фундаментальных, самых основополагающих процессов в живой материи. А теперь вернемся к ревертазе.

Открытие этого фермента изменило левую часть уравнения:

ДНК=РНК>БЕЛОК

Да, обнаружилось, что в некоторых случаях в живой клетке внезапно начинает действовать совершенно неожиданный фактор — ревертаза, задающая обратный ход событий на первом этапе синтеза. Ревертаза вдруг включается и по модели РНК начинает строить отрезок ДНК: тот именно ген, с которого был скопирован этот кусочек РНК.

Повторяю еще раз: РНК — копия ДНК. По этой копии ревертаза воссоздает обратную копию, то есть сам ген.

Представьте себе, например, уникальную фотографию, которую нужно размножить. Что тогда делают? Ее переснимают на негатив и с него печатают нужное число копий. Так вот процесс перехода от фотографии к негативу — это лучшая параллель к действию ревертазы.

Поистине теперь открылась удивительная тайна природы; хотя о ней подозревали и раньше (об этом — чуть ниже).

Ревертаза была найдена в РНК-содержащих вирусах — эти вирусы исключение в мире Живого, своего рода монстры: у них наследственная информация записана на нитях РНК, а не ДНК, как у всех остальных живых существ и организмов.

Эти монстры не просто были дотошным исключением из академического свода правил, они уже давно поставили перед исследователями ряд необъяснимых загадок. Главной из них была такая: влияние РНК вируса на ДНК той клетки, в которую этот вирус внедрялся.

Попробуем оттолкнуться, так сказать, от противного. ДНК-вирус поражает клетку и перестраивает работу ее генетического аппарата — это, казалось бы, понятно: одна ДНК другой — ровня, хоть они и принадлежат разным системам. Ну, а как же мог действовать РНК-вирус? Раньше это было неясно, теперь ревертаза объясняет как: при помощи «обратного синтеза».

РНК-вирусы, в которых найдена ревертаза, — опухолеродные, они связаны с перерождением здоровых клеток в раковые.

Так что же, действие ревертазы — это узколокальный, специфический процесс, к тому же связанный, к несчастью, с таким трагическим явлением, как злокачественные опухоли? Был ли прав один из авторов, писавших об открытии ревертазы: «Возможно, центральная догма нарушена не только у вирусов РНК-типа. Это была бы поистине кошка среди голубей».

Нет, картина как будто бы иная. Генетик С. Гершензон обнаружил процесс «обратного синтеза» при вторжении в клетку вирусов ДНК-типа. Есть основание считать, что у ряда опухолеродных ДНК-вирусов ревертаза должна быть найдена. Наконец, есть свидетельства того, что ревертазную активность при некоторых, еще невыясненных условиях могут проявлять и «нормальные» ферменты, задача которых в обычных обстоятельствах — сшивать нить нуклеиновой кислоты из отдельных блоков.

И складывается впечатление, что ревертазная активность и «обратный синтез» — явление, довольно широко распространенное в живых системах, и что исследователи столкнулись здесь с новым и действительно фундаментально важным свойством в организации живой материи.

Зачем же ДНК-вирусам может понадобиться ревертаза? Ведь, повторяю, одна ДНК другой ДНК — ровня. На этот счет выдвинута изящная гипотеза. Проникнув в клетку, вирус стремится наладить воспроизведение самого себя в тысячах копий — таков единственный смысл его существования. Но как ему это сделать? Для производства копий ему требуется набор из десятков ферментов. Гены этих ферментов группами разбросаны по разным хромосомам клетки. Значит, вирусу предстоит перестраивать работу генетического аппарата клетки во многих и — разных местах. Да, но у вируса-то всего одна ниточка, несущая наследственную информацию, ее не хватит, чтобы вторгнуться в хромосомы клетки сразу во многих местах. Вот тут-то — и здесь зерно гипотезы! — срабатывает ревертаза, запуская «обратный синтез». Вирус — через процесс «обратного синтеза» — производит столько копий, чтобы внедриться в хромосомы всюду, где это нужно. Впрочем, это лишь гипотеза.

Да, и вообще нужно сказать, что очень многое, связанное с ревертазой, сейчас еще не ясно. Как и почему она начинает действовать? Присуща ли она всем клеткам и организмам без исключения? Или только некоторым из них? Каким? Почему? Какая роль возложена на нее в организации живой материи? Не есть ли это реликт — пережиток давних времен в развитии жизни? Как мог действовать механизм «обратного синтеза» на разных ступенях эволюции? На эти вопросы и на множество иных пока еще нет ответа! Однако уже и теперь ясно: ревертаза открывает перед наукой большие перспективы, намечает заманчивые пути исследования. Коротко назовем лишь некоторые из этих направлений.

Познание природы рака. Новые методы его лечения.

Ревертаза была найдена в опухолеродных вирусах (и это стало важным подтверждением вирусогенетической теории рака). Особенности действия ревертазы позволяют надеяться на то, что она в той или иной форме поможет изучить пока еще крайне неясный процесс генетического слома клетки: как она теряет свою индивидуальность, задаваемую генетической программой, и перерождается в раковую клетку.

Строение гена. Строение хромосомы.

Наука, в сущности, до сих пор не имела инструмента для прямого исследования генетических структур. Все, чем она располагала, — это были косвенные методы: например, оценка результатов, которые достигались при скрещивании организмов с различными наследственными свойствами.

Да и как было подступиться прямо к гену — к этой крохотуле, к этой ничтожной частичке нити ДНК, которая и сама-то почти исчезающе невидима даже в лучших электронных микроскопах с увеличением в сотни тысяч раз!

И вот теперь такой путь открывается. Можно взять информационную молекулу РНК, о которой точно известно, что она задает синтез такого-то белка. И, пустив в ход ревертазу, по этой молекуле РНК синтезировать ген интересующего нас белка, чтобы затем исследовать его доступными науке способами: физическими, химическими, генетическими.

Происхождение жизни

Нет жизни без белка — без него, точнее, без набора самых разнообразных белков не идет ни один процесс жизнедеятельности на любой стадии развития жизни.

Но нет жизни и без нуклеиновых кислот — без них, по современным воззрениям, отсутствует преемственность в развитии живой материи. Как без них будет передаваться наследственная информация? И, значит, без нуклеиновых кислот жизни пришлось бы раз за разом начинать на голом месте и раз за разом кончать свое дело после первого же этапа развития: дальше хода нет, ибо нет преемственности.

Как возникла эта сложная — двуединая система? На этот вопрос у науки пока нет еще сколько-нибудь ясного ответа. Эксперименты с ревертазой, быть может, уменьшат запутанность этой проблемы.

Особую сложность проблеме придает то, что формула, вызывающая столько трудностей и споров, ведь даже не двуедина, а триедина: кроме белка, в ней присутствуют два вида нуклеиновых кислот — хотя и похожих, но все-таки разных и, главное, с различными функциональными задачами. Может быть, ревертаза перебросит мостик между ДНК и РНК, позволит упростить и выяснить их отношения, определить их роль на самых ранних этапах возникновения живой материи?

Достаточно, пожалуй, и этих трех направлений, хотя, кроме них, открываются и другие: например, новые возможности в изучении эволюции живых организмов, в исследовании эмбриогенеза, где «обратный синтез», возможно, помогает нарабатывать массу генетического материала, чтобы обеспечить ускоренное развитие организма; наконец, в прояснении загадки межклеточного общения и взаимного уподобления клеток, слагающих однородную ткань в организме.

Автор: Л. Киселев.