«Неизлечимые болезни можно победить»: как открытия нобелевского лауреата Джеймса Уотсона изменили медицину
Как открытия нобелевского лауреата Джеймса Уотсона изменили медицину
- Gettyimages.ru
- © Hulton Archive/SSPL
У истоков молекулярной модели
Джеймс Уотсон родился 6 апреля 1928 год в Чикаго. Спустя 15 лет он поступил в Чикагский университет, где обучался по специальности «орнитология» и серьёзно увлёкся трудами Чарльза Дарвина. Однажды в одной из чикагских газет Уотсон увидел рецензию на книгу с интригующим названием «Что такое жизнь?» физика Эрвина Шрёдингера, после чего прочитал и само произведение.
«Основная мысль этой книги о том, что тайна жизни заключена в генах, покорила меня», — вспоминал Уотсон в автобиографии «Избегайте занудства».
«Перспективы бесконечны»: как новый метод генетической модификации может повлиять на технологический прогресс
Дарвин объяснял жизнь после её начала, но не отвечал на волновавший Уотсона вопрос: что же представляет собой ядро жизни. Шрёдингер в свою очередь писал, что основа жизни — это информация, носителями которой выступают хромосомы, и она должна визуализироваться как некая молекула. Уотсон настолько загорелся идеей найти шифр к «коду жизни», что решил стать генетиком.
Получив степень бакалавра зоологии в Чикагском университете, Уотсон продолжил обучение в магистратуре и аспирантуре Индианского университета в Блумингтоне. Там под руководством генетика Германа Мёллера и бактериолога Сальвадора Лурия Уотсон написал диссертацию о влиянии рентгеновских лучей на размножение бактериофагов (вирусов, поражающих клетки бактерий). При этом интерес Уотсона к генетике нарастал, и учёный вплотную занялся исследованием истинной структуры молекул ДНК.
В 1944 году американский биолог Освальд Авери предположил, что ДНК в своей структуре содержит гены. Спустя восемь лет эта гипотеза подтвердилась. При этом стало очевидно, что ДНК контролирует основные биохимические процессы в клетке, однако о структуре или функциях молекулы ничего известно не было.
- Физик из Королевского колледжа Кембриджского университета Морис Уилкинс
- Gettyimages.ru
- © Bettmann
В 1951 году Уотсон отправился на конференцию в Италию, где познакомился с физиком из Королевского колледжа Кембриджского университета Морисом Уилкинсом. Тот показал Уотсону рентгенограмму молекул ДНК, полученную в результате совместной работы с биофизиком Розалинд Франклин. По своей структуре молекулы напоминали двойную спираль, похожую на винтовую лестницу.
Новые данные подтолкнули Уотсона к мысли исследовать химическую структуру нуклеиновых кислот. С этой целью 23-летний Уотсон в том же году поступил в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета. В лаборатории он познакомился с Фрэнсисом Криком — физиком, который увлекался биологией.
Обнаружив сходство своих научных интересов, совместными усилиями исследователи попытались представить структуру ДНК в виде электронной модели. Её учёные выстроили с помощью системы координат и различных данных рентгеноструктурного анализа. Подобный опыт позволил бы понять, как именно выглядит молекула. За основу Уотсон и Крик взяли теорию Уилкинсона. В результате учёные получили трёхнитевую спиральную модель молекулы ДНК.
Вопреки генам: может ли человек поменять структуру своего микробиома
Однако британские специалисты сочли плод трудов Уотсона и Крика несерьёзным, указав на ряд неточностей в модели и на некомпетентность обоих учёных в подобных вопросах.
В результате физик и биолог оставили работу на какое-то время. Однако их изыскания заинтересовали нескольких химиков, и 28 февраля 1953 года Джерри Донохью, специалист по структурной химии из Калифорнийского технологического института, который тогда находился в Кембридже, посоветовал Уотсону и Крику поменять расположение атомов водорода в своей модели.
«Мне понадобился всего день, чтобы поменять положение атомов водорода на моих вырезанных из бумаги моделях тимина и гуанина. Почти сразу же у меня получилось составить пары оснований А—Т (аденин — тимин) и Г—Ц (гуанин — цитозин), которые, как мы теперь знаем, и имеются в ДНК. Двойная спираль определённо была правильной моделью. Нам оставалось только сконструировать сегмент углеродно-фосфатного скелета и измерить координаты атомов, чтобы показать, что все длины и углы связей в нашей модели согласуются с установленными ранее для более мелких молекул. Мы выполнили эту задачу за два с небольшим дня. И двойная спираль была готова покорить мир», — вспоминал Уотсон в своей автобиографии.
- Джеймс Уотсон (слева) и Фрэнсис Крик
- Gettyimages.ru
- © Bettmann
В номере Nature за 25 апреля 1953 года было опубликовано описание новой модели, состоявшее из 900 слов. Однако в течение последующих пяти лет на статью ссылались не больше пяти раз. И учёные осознали, что не довели своё исследование до конца: они так и не выяснили, каковы функции этой генетической информации.
«Клуб галстуков РНК»
Учёным было понятно, что ДНК передаёт информацию для РНК, но как осуществлялась информационная «коммуникация» между РНК и белком, оставалось загадкой. В течение следующих трёх лет Уотсон безуспешно пытался разобраться в структуре РНК.
«Не зная, куда двигаться дальше, я предложил организовать клуб из двадцати человек, ищущих разгадку генетического кода, — по одному на каждую аминокислоту. Физик Джордж Гамов немедленно одобрил эту идею, увлечённо предвкушая разработку дизайна галстуков и канцелярских принадлежностей для нашего Клуба галстуков РНК», — вспоминал Уотсон.
В 1960 году исследователи наконец обнаружили, что есть три типа РНК: информационная, транспортная и рибосомная. Учёные смогли описать механизм передачи генетической информации от РНК к белку.
Благодаря этому один из участников Клуба галстуков Маршалл Ниренберг смог взять синтезированную РНК и поместить в бесклеточную систему производства белка. Так он получил белок полифенилаланин. Это событие положило начало расшифровке генетического кода, которая завершилась к 1966 году.
- Лауреаты Нобелевской премии 1962 года
- Gettyimages.ru
- © Hulton-Deutsch Collection/CORBIS
Однако Нобелевскую премию по физиологии и медицине Уотсон, Крик и Уилкинс получили ещё до окончания исследования — в 1962 году с формулировкой «за открытия в области молекулярной структуры нуклеиновых кислот и за определение их роли для передачи информации в живой материи».
«Постгеномная» эра
С 1968 года Уотсон стал руководить лабораторией молекулярной биологии в Колд-Спринг-Харборе, где исследовал генетику рака. В 1989—1992 годах учёный возглавлял проект «Геном человека» по расшифровке последовательности человеческой ДНК. За три года его сотрудникам удалось распознать около 25 тыс. генов ДНК, а также определить последовательности 3 млрд пар химических оснований, составляющих ДНК человека.
По живому: учёные впервые отредактировали геном в теле человека
К 2017 году Уотсон смог сделать несколько важных выводов на основании своих исследований по генетике рака. В частности, он заявил, что «неизлечимую болезнь можно победить уже сегодня», обрушив встроенные антиокислительные системы защиты злокачественного образования. Например, для таргетной борьбы со стволовыми раковыми клетками можно использовать широко распространённые в природе хиноны. Сломав антиоксидантную защиту, лечение заболевания можно продолжить с помощью обычных методов химио- и лучевой терапии. Наиболее эффективным новый метод будет при лечении лимфомы, рака печени и поджелудочной железы, считает Уотсон.
Доктор биологических наук, главный научный сотрудник лаборатории анализа генома Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН Светлана Боринская в беседе с RT подчеркнула важность геномных исследований Уотсона, которые позволили найти так называемые фармакологические мишени — нарушения на молекулярном уровне, поддающиеся коррекции. Поэтому некоторые болезни, которые ранее считались неизлечимыми, теперь удаётся побороть с помощью, например, генной терапии. Однако в человеческом геноме предстоит найти ещё очень много важного, считает эксперт.
«Мы знаем буквы — нуклеотиды, которыми записана генетическая информация человека. Но мы далеко не всегда понимаем, что это означает. Это можно сравнить с шифром. Так, шифровку прочли, а ключа к ней пока нет. Для отдельных частей генома это известно, особенно интенсивно развиваются исследования, связанные с медицинской генетикой, когда «поломки» генов вызывают болезни. Но предстоит расшифровать ещё очень много: что записано в геноме, как меняется работа генов», — рассказала Боринская в беседе с RT.
Биолог добавила, что сейчас наступила так называемая «постгеномная» эра, когда «текст прочитан, но что там написано, нам ещё предстоит понять». По её словам, сейчас происходит «переход к профилактической медицине на всех уровнях: от обычного до молекулярного».