ЛАУРЕАТЫ НОБЕЛЕВСКОЙ ПРЕМИИ 2006 ГОДА

По физике - Дж.Мазер и Дж.Смут

Нобелевская премия по физике 2006 г. присуждена двум американским ученым за “открытие планковской формы спектра космического фонового излучения и анизотропии космического фонового излучения”.

Говоря без преувеличений, история обнаружения и исследования реликтового излучения* подобна захватывающему детективному роману. Разница только в том, что все происходило на самом деле и продолжает активно развиваться на наших глазах. Перефразируя французского писателя Жюля Верна, можно сказать, что нам посчастливилось жить в эпоху “великих космологических открытий”.

Известный американский специалист в области космологии Джон Мазер родился в 1946 г. Он получил высшее образование в колледже Суорсмора (США), окончив его в 1968 г., а в 1974 г. защитил диссертацию по физике в университете Беркли (США). Сейчас Мазер - старший астрофизик Центра космических полетов им.Годдарта (США) и работает над несколькими космическими проектами. Над проектом, посвященным изучению реликтового излучения, который 30 годами позже увенчался Нобелевской премией, Мазер начал работу в 1974 г.

Джордж Смут, другой авторитетный американский астрофизик и космолог, родился в 1945 г., получил высшее образование (выпускник 1966 г.) в Массачусетсском технологическом институте (США) и там же в 1974 г. защитил диссертацию по физике. В настоящее время является профессором Университета Беркли (США).

Результаты, которые принесли лауреатам наивысшую научную награду, были получены в ходе космического эксперимента НАСА, проводимого с помощью спутника “COBE”. Этот космический спутник, названный по аббревиатуре термина “Cosmic Background Explorer” (рис.1) и запущенный 18 ноября 1989 г., был ориентирован на исследование реликтового излучения. “COBE” был многочастотным и многоцелевым инструментом. На нем были установлены три основных комплекса аппаратуры.

Основной научный комплекс, руководителем работ на котором был Смут, DMR (Differential Microwave Radiometer - дифференциальный микроволновой радиометр), состоял из нескольких радиометров на три частоты: 32, 53 и 90 ГГц. Именно он и был предназначен для обнаружения анизотропии реликтового излучения. Антенны каждого из радиометров обладали диаграммой направленности с полушириной 5°; они были развернуты так, что угол между направлениями приема составлял 60°.

Вторая по значению роль принадлежала FIRAS (Far InfraRed Absolute Spectrophotometer - инфракрасный спектрометр). Основной задачей этого прибора было измерение спектра реликтового излучения с точностью, в 100 раз превышающей все предыдущие измерения. Руководил проектом FIRAS Мазер.

Наконец, последний научный комплекс назывался DIRBE (Diffuse InfraRed Background Experiment - эксперимент по измерению фона рассеянного инфракрасного излучения). DIRBE предназначался для детектирования слабого свечения от первых звезд и галактик во Вселенной. Расстояние от этих объектов до нас должно составлять ~10 Гпк (красное смещение

z ~10), поэтому их свет должен представляться в виде очень слабого фонового свечения, которое невозможно зарегистрировать с поверхности Земли из-за наличия атмосферы, подсвеченной Солнцем. Приборы комплекса DIRBE были настолько чувствительными, что обнаружили бы это первичное свечение даже в том случае, если бы оно составляло всего 1% от зодиакального света! Тем не менее, вклад результатов этого эксперимента в космологию оказался не столь значительным, как вклад комплексов DMR и FIRAS.

Что же из себя представляет реликтовое излучение и почему его открытие стало знаковым событием в истории космологии, наравне с открытием хаббловского расширения нашей Вселенной?

Как известно, при расширении все тела охлаждаются, а при сжатии - нагреваются. Согласно астрономическим наблюдениям, наша Вселенная расширяется. Юная Вселенная была значительно горячее, чем сейчас, и содержала только высокотемпературную плазму. Частицы этой плазмы, включая и фотоны, находились в термодинамическом равновесии и обладали спектром абсолютно черного тела. Реликтовое излучение - это фоновое космическое излучение, равномерно заполняющее всю Вселенную и не имеющее источников. Это свет “самых первых”, “самых старых” фотонов, получивших возможность распространяться свободно, как только температура расширяющейся Вселенной упала до такого уровня (3000 К), что произошла рекомбинация - соединение протонов и электронов в атомы водорода - и материя и излучение смогли разделиться. Момент времени, когда это случилось, соответствует так называемой “поверхности последнего рассеяния”.

Реликтовое излучение было теоретически предсказано Г.А.Гамовым в 1946 году. Он разрабатывал теорию нуклеосинтеза в модели горячей Вселенной и оценил температуру возникающего теплового электромагнитного излучения со спектром абсолютно черного тела в 6 К. В 1965 г. реликтовое излучение было случайно открыто американскими радиоинженерами компании “Белл” А.Пензиасом и Р.Вильсоном во время работы над новым усовершенствованным радиометром. С подробной историей этого открытия читатели могут ознакомиться в журнале “Природа” [1], а также в книге [2].

Дальнейшие наблюдения показали, что реликтовое излучение действительно обладает спектром абсолютно черного тела, правда, его температура оказалась равна 2.725 К - в два с лишним раза ниже оценки Гамова. Существование этого излучения служит основным доказательством теории Большого Взрыва.

Результаты измерений, проведенных инструментом FIRES спутника “COBE”, представлены на рис.2. Очень важно, что исследователям группы Мазера удалось измерить характеристики излучения в области максимума спектра. Измеренная температура реликтового излучения остается постоянной (в пределах ошибок), что лучше всего подтверждает “чернотельный характер” спектра. Отклонения от планковского закона, которые предсказываются современной теоретической космологией, должны быть значительно меньше средней температуры излучения. Таким образом, тот факт, что мы не обнаруживаем значительных отклонений от формы планковского спектра, свидетельствует: космологи правильно понимают основные процессы, которые порождают реликтовое излучение.

Космологи-экспериментаторы измеряли температуру реликтового излучения многократно и в широком диапазоне длин волн. Эти наблюдения проводились для того, чтобы подтвердить вид спектра и обнаружить отклонения от него, если они существуют. Такие отклонения могут возникать, если во Вселенной во время ее эволюции происходили неравновесные процессы.

Пусть, например, в какой-либо момент эволюции Вселенной, не слишком далеко отстоящий от момента рекомбинации, в плазме выделялась энергия. Скажем, в плазме были нестабильные элементарные частицы, которые распались до момента рекомбинации. Тогда во Вселенной появились фотоны, обладающие узким спектром. Они взаимодействовали с электронами, рассеивались и меняли свою энергию. Процессы рассеяния вели к тому, что спектр “впрыснутых” фотонов расплывался, и его форма стремилась к равновесному спектру излучения абсолютно черного тела. Таким образом, после завершения процесса такого взаимодействия в плазме снова должно наступить равновесие между фотонами и другими частицами. Но может оказаться так, что времени для установления равновесия не хватит. Тогда в спектре возникнет отклонение, связанное с избытком фотонов, который укажет не только время выделения дополнительной энергии, но и его механизм.

Помимо неравновесных процессов, отклонения от планковского спектра могут возникать и по другим причинам, которые в совокупности порождают анизотропию реликтового излучения - второй составляющей формулировки заслуг лауреатов.

Анизотропия реликтового излучения заключается в том, что температура излучения несколько отличается для различных направлений на небе. Она возникает из-за нескольких физических механизмов.

Прежде всего, это эффект Сакса-Вольфа, возникающий при распространении фотонов в неоднородном гравитационном поле. Если фотон движется в сторону роста гравитационного потенциала, то он теряет свою энергию и испытывает красное смещение, если, наоборот, - в сторону убывания потенциала, то приобретает энергию и его частота смещается в голубую сторону. Для одного фотона этот эффект приводит к изменению частоты, а для ансамбля фотонов - к изменению их температуры.

Второй, не менее важный вклад в анизотропию дает эффект Силка. Он вызывается адиабатическими флуктуациями плотности. Если энтропия плазмы (т.е. отношение числа барионов к числу фотонов) однородна по пространству, то флуктуации плотности материи приводят к флуктуациям числа фотонов. Другими словами, место, где плотность больше, будет горячей. После момента рекомбинация такие неоднородности выглядят как муар или рябь на поверхности последнего рассеяния.

Наряду с изменениями плотности важную роль играет эффект, порождаемый пекулярным движением вещества, т.е. случайным движением, наложенным на общее хаббловское расширение нашей Вселенной. Из-за этого движения энергия излученных фотонов меняется в соответствии с эффектом Доплера - это третий физический механизм, приводящий к анизотропии.

Не связанным непосредственно с процессами в эпоху рекомбинации, но важным при описании эволюции Вселенной при относительно низких значениях красного смещения, является эффект Сюняева-Зельдовича. Он возникает, когда реликтовые фотоны проходят через облако горячих электронов, и в результате актов рассеяния электроны передают им часть своей энергии, изменяя их температуру.

Реликтовые фотоны идут к нам со всех направлений небесной сферы. Поэтому адекватный математический аппарат для анализа их углового распределения - это разложение по сферическим функциям (или по мультипольным гармоникам). Распределение “амплитуда гармоники - ее номер” образует угловой спектр анизотропии реликтового излучения. Он определяется спектром возмущений плотности и спектром гравитационных волн, а также перечисленными выше эффектами (Сакса-Вольфа, Силка и Доплера).

Структура неоднородностей на поверхности последнего рассеяния полностью характеризует свойства ранней Вселенной! Фундаментальное открытие радиоактивности Э.Резерфордом позволило человечеству перейти на новый уровень энергий: от химических к ядерным, при этом масштаб энергий изменился всего на несколько порядков. Открытие анизотропии реликтового излучения позволяет рассуждать о свойствах материи и структуре пространства-времени при энергиях, в миллиарды миллиардов раз превышающих ядерные. Анизотропия фотонов открывает тайну рождения нашей Вселенной, в нее “впечатаны” следы ее детства, юности и взросления. Все, что происходило в ранней Вселенной, отражено в неоднородностях фона.

Каждый шаг в исследовании реликтового излучения требовал больших усилий экспериментаторов, зато приводил к важным физическим открытиям и характеризовал концептуальные выборы направления развития космологии в целом.

Прежде всего, открытие фонового излучения подтвердило теорию горячей Вселенной. Как уже было сказано, сам факт его существования - один из решающих аргументов в пользу теории Большого Взрыва.

Следующий шаг - открытие анизотропии реликтовых фотонов - потребовало увеличения чувствительности радиометров в 1000 раз! Амплитуда самой значимой части возмущений излучения составляет всего 3 мК. Ее измерение позволило установить наиболее близкую к универсальной систему отсчета, а также определить пекулярные скорости галактик и многое другое. Поиск крупномасштабной анизотропии (вклады возмущений со все более низкими амплитудами вплоть до ~30 мкК) вновь потребовало увеличения чувствительности приборов еще в 100 раз.

Анизотропия реликтового излучения была открыта в 1992 г. Один из авторов статьи принимал непосредственное участие в обработке данных, полученных в ходе эксперимента, который проводился на борту космического аппарата серии “Прогноз”. Эксперимент назывался “Реликт” (рис.3). Спутник нес радиометр, регистрирующий излучение с длиной волны 8 мм с рекордной по тому времени чувствительностью по измерению температуры - 35 мК за секунду накопления. Радиометр, рассчитанный на одну частоту, был наиболее уязвимой частью всего эксперимента с точки зрения методологии астрономических наблюдений. (Многочастотный эксперимент позволил бы с большей надежностью выявить природу анизотропии излучения, наш же вариант оставлял место для спекуляций на эту тему.) Радиометр представлял собой две рупорные антенны, угол между которыми составлял 90° (диаграмма направленности каждой антенны занимала 5°) и собственно радиометрический тракт. Спутник медленно вращался вокруг своей оси, делая один оборот за две минуты. Один рупор был направлен вдоль оси вращения и все время принимал радиосигнал из одной небесной точки. Он назывался опорным рупором. Второй за две минуты полностью “просматривал” (в астрономии принят термин “сканировал”) большой круг небесной сферы. В таком положении спутник находился примерно неделю, успевая просмотреть каждый элемент большого круга несколько тысяч раз. После этого спутник переориентировался и сканировал новый круг на небе.

Спутник был запущен в 1984 г., работал полгода, и за этот срок была получена карта всего неба на длине волны 8 мм. Анализ данных длился несколько лет с публикациями промежуточных результатов и был завершен к концу 1991 г. В январе 1992 г. на семинаре в ГАИШ МГУ наша группа (И.А.Струков, Д.П.Скулачев, А.А.Брюханов и М.В.Сажин) представила доклад об открытии анизотропии реликтового излучения.

К этому времени созданный НАСА космический аппарат “COBE”, аналогичный аппарату “Реликт”, хотя и более усовершенствованный (прежде всего, из-за наличия двух дополнительных радиометров), находился на околоземной орбите уже два года. В конце апреля 1992 г. научный руководитель комплекса DMR Смут на специально собранной пресс-конференции объявил об открытии анизотропии фона. Средства массовой информации распространили это сообщение по всему миру как научную новость “номер один”. Теперь, в 2006 г., спустя почти 15 лет, Мазер и Смут удостоены Нобелевской премии по физике за это открытие. На рис.4 приведена синтезированная карта небесной сферы, полученная в ходе проведения эксперимента “COBE-DMR”. Разная цветовая насыщенность точек карты соответствует разной температуре реликтового излучения, характеризуя его анизотропию.

В отличие от репортеров, многие специалисты вначале скептически встретили известие об обнаружении анизотропии реликтового излучения. Тем не менее сейчас это открытие получило общее признание. Если эксперименты “Реликт” и “COBE-DMR” могли обнаружить только крупномасштабную анизотропию (характерный угловой масштаб переменности яркости излучения по небу составлял десятки градусов), то затем другие группы экспериментаторов стали говорить о наблюдении анизотропии уже в средних угловых масштабах. Эти эксперименты проводились радиоастрономами с наземных радиотелескопов, а также в ходе баллонных экспериментов.

В начале 2006 г. были опубликованы результаты трехлетних наблюдений на космическом спутнике WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Спутник до сих пор в работе. Данные WMAP подтверждают открытие анизотропии, позволяя построить угловой спектр в широком диапазоне мультипольных чисел (рис.5). В начале графика идет плато Зельдовича-Харрисона, названное так в честь академика Я.Б.Зельдовича и американского физика Е.Харрисона. Затем появляется первый доплеровский пик, максимум которого приходится на значение мультипольного числа ~220 (что соответствует угловому масштабу около 1°). За ним следуют еще два пика Доплера, которые измерены с достаточной точностью. Положение пиков и их амплитуда зависят от нескольких глобальных параметров Вселенной - параметра Хаббла, полной плотности, вклада плотности барионов, вклада плотности темной материи и темной энергии и т.п. (подробнее о последних данных см. [3]).

Открытие анизотропии реликтового излучения положило начало эпохе прецизионной космологии. Появилась возможность измерять основные параметры нашей Вселенной с точностью до нескольких процентов или даже долей процента. Результатом этого открытия, а также других наблюдений и теоретических разработок, стало построение Стандартной космологической модели.

В настоящее время готовятся несколько космических проектов для исследования анизотропии и поляризации реликтового излучения. Прежде всего следует отметить европейский космический проект “Планк”. Если в результате работы этого спутника будет обнаружена так называемая B-мода поляризации фотонов, то впервые окажется возможным измерить фон гравитационных волн, рожденных во время инфляционной стадии развития Вселенной. Открытие гравитационных волн возвестило бы эпоху “зондирования” ранней Вселенной и физики вблизи предельно высоких энергий (1019 ГэВ) с помощью методов экспериментальной космологии.

Остается только сожалеть, что, несмотря на пионерские работы по исследованию анизотропии реликтового излучения, выполненные отечественными учеными, сейчас в России не планируется ни одного космического эксперимента в этом направлении.

доктор физико-

математических наук

кандидат физико-

математических наук

Государственный астрономический институт им.П.К.Штернберга

Москва

* Английскому названию “Cosmic Microwave Background Radiation” (космическое фоновое излучение) в русскоязычной литературе соответствует термин “реликтовое излучение”.

Рис.1. Спутник “COBE”. Наверху за конусообразным шитом расположены приборы для изучения реликтового излучения (шит предназначался для защиты от постороннего излучения - излучения Земли, Солнца и т.п.). Приборы FIRAS и DIRBE находились внутри основной панели инструментов - в двух черных отверстиях. По окружности основной панели располагались три радиометра прибора DMR.

Рис.2. Экспериментальная зависимость термодинамической температуры реликтового излучения от длины волны. Волновому вектору 10 см–1 соответствует частота 300 ГГц, находящаяся вблизи максимума в спектре реликтового излучения. Спектр излучения абсолютно черного тела на таком графике представляется прямой, параллельной оси абсцисс, так и получилось для измерения температуры реликтового излучения. С учетом погрешности измерений отклонения от закона абсолютно черного тела нет. Среднее значение температуры - 2.726 K.

Рис.3. Спутник “Реликт”, открывший анизотропию реликтового излучения. На верхней панели установлены радиометры. Поскольку измерения велись в основном в верхней точке орбиты (700 тыс. км), щит для экранирования внешних излучений не был нужен.

Рис.5. Спектр угловых флуктуаций анизотропии реликтового излучения, полученный в результате трехлетней работы спутника WMAP. По оси абсцисс отложено мультипольное число l , которое эквивалентно угловой шкале флуктуаций. Чем больше значение числа l , тем меньше угловой размер флуктуаций. Мультипольное число - аналог частоты (волнового вектора)

при измерениях на сфере. По оси ординат отложена амплитуда соответствующей гармоники. Амплитуда нормирована множителем,

зависящим от мультипольного числа так, чтобы спектр угловых флуктуаций типа Харрисона-Зельдовича представлял собой прямую линию,

параллельную оси абсцисс.

Рис.4. Карта радиояркости неба в миллиметровых лучах, полученная спутником “COBE”. Вверху изображено дипольное распределение анизотропии реликтового излучения, полученное в результате работы этого спутника. В середине - распределение радиояркости всего неба, включая нашу Галактику. Внизу - распределение радиояркости на поверхности последнего рассеяния (излучение нашей Галактики “вырезано”).

Литература

1. Зельдович Я.Б., Сюняев Р.А. Лауреаты Нобелевской премии 1978 года по физике - А.Пензиас и Р.Вильсон // Природа. 1979. №1 С.101-103.

2. Сажин М.В. Современная космология в популярном изложении. М., 2002.

3. Сажин М.В. // Успехи физ. наук. 2004. Т.174. №2. C.197-205.

По химии - Р.Корнберг

Нобелевская премия по химии за 2006 год присуждена Роджеру Д. Корнбергу “за фундаментальные исследования молекулярных основ транскрипции у эукариот”.

Роджер Корнберг (Roger D.Kornberg) родился 24 апреля 1947 г. в Сент-Луисе, штат Миссури, США. В 1967 г. окончил Гарвардский университет, в 1972-м получил докторскую степень в Станфордском университете (штат Калифорния). Сейчас, будучи профессором медицины, руководит отделом структурной биологии в медицинской школе того же университета.

Корнберг - член Национальной академии наук и Американской академии искусств и наук; лауреат премии Уэлча - высшей награды по химии в США; лауреат премии Шарля Леопольда Майера, присуждаемой за биомедицинские исследования Французской академией наук.

Транскрипция - это процесс матричного синтеза РНК на ДНК, который осуществляется ферментами РНК-полимеразами. У эукариот в него вовлечены несколько сложных олигомерных белковых комплексов: РНК-полимераза, общие факторы транскрипции и белковый комплекс медиатора. Перечисленные комплексы вместе со специфическими факторами транскрипции (активаторами) инициируют синтез РНК, начиная с промотора соответствующего гена в ДНК.

Корнберг, как отмечено Нобелевским комитетом, внес наиболее существенный вклад в определение структуры компонентов транскрипционного комплекса, в установление динамики процессов, протекающих в его недрах, и регуляторных механизмов, которые ускоряют, замедляют или прерывают инициацию транскрипции. Многолетние (около 30 лет) исследования с использованием совершенной биохимической техники в сочетании с рентгеноструктурным анализом комплексов РНК-полимеразы II дрожжей с другими компонентами системы послужили основанием для получения картины, описывающей работу активного центра этого фермента, а также его взаимодействия с другими белками.

Исследование транскрипции у эукариот ведет начало с работы С.Б.Уэйсса и Л.Гладстона (1959). Однако очистка РНК-полимеразы эукариот оказалась очень сложным делом. Значительно быстрее развивались исследования транскрипции у бактерий. И уже в 1965 г. за успехи в изучении этого процесса была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине Ф.Жакобу, Ж.Моно и А.Львову. Всего через несколько лет было установлено, что транскрипционная машина эукариот много сложнее: она включает три РНК-полимеразы - I, II и III. При этом все гены, кодирующие белки, транскрибируются РНК-полимеразой II. Однако in vitro она проявляла очень низкую активность в отношении генов, содержащих промоторы, которые служат сигналом для инициации синтеза РНК. С начала 70-х годов сформировались задачи, которые в то время казались неосуществимыми: выявить, очистить и охарактеризовать все компоненты транскрипционного комплекса; реконструировать модель транскрипции in vitro; установить все стадии матричного процесса на атомном уровне. В эту гигантскую работу включились несколько групп ученых, главным образом в США. Значительный вклад внесла группа Р.Редера, работавшая в Рокфеллеровском университете: им первым удалось осуществить инициацию транскрипции РНК-полимеразой II с вирусного промотора. Кроме того, были идентифицированы белковые факторы, получившие наименование общих, или универсальных факторов, так как они необходимы для транскрипции всех генов эукариот, кодирующих белки.

Свою первую работу Корнберг провел и завершил в начале 70-х годов в Кембридже совместно с Ф.Криком и А.Клугом. Оказалось, что основным элементом хроматина служит нуклеосома - гистоновый октамер, который образует комплекс с 200 парами оснований ДНК. После возвращения в середине 70-х в Станфорд (Калифорния) Корнберг начал исследовать регуляцию трансрипции у эукариот. В качестве модели он избрал пекарские дрожжи. В первых работах выяснилось, что очищенная РНК-полимераза II и пять общих факторов транскрипции (рис.1) - TFIIB, E, F, H и TBP - способны поддерживать лишь очень низкий, базовый уровень процесса. Добавление в систему специфических факторов транскрипции, взаимодействующих с промотором или энхансером и необходимых для узнавания определенного гена, не изменяло эту картину. Тщательное исследование клеточного экстракта привело к неожиданному открытию и очистке мультибелкового комплекса, названного медиатором (см. рис.1). Этот комплекс включал 20 различных белков. Роль медиатора, как выяснили Корнберг и сотрудники, состояла в переносе сигнала (как положительного, так и отрицательного) от специфического фактора транскрипции, связанного с энхансером, к РНК-полимеразе II. Медиатор оказался недостающим звеном, открытие которого объяснило непонятные ранее факты и сделало возможным реконструкцию транскрипционной машины in vitro.

В целом транскрипционный комплекс состоит примерно из 60 взаимодействующих белков и имеет массу, превышающую 3МДа. Это создавало трудности для молекулярного исследования полного комплекса. Поэтому рентгеноструктурные исследования были направлены на полимеразу, своеобразную платформу (так назвал фермент сам Корнберг), вокруг которой собираются все элементы транскрипционной машины. В течение нескольких лет были проведены интенсивные кристаллографические исследования комплексов РНК-полимеразы с другими компонентами системы. Структура полимеразы была установлена сначала с разрешением 2.8 Е и затем 2.3 Е. Все события развиваются в глубокой щели молекулы полимеразы. Именно сюда попадает дсДНК (двуспиральная ДНК), и здесь локализован активный центр фермента (рис.2). Щель активного центра пересекает, подобно мосту, a-спираль (“мостиковая” спираль) одной из двух больших субъединиц полимеразы.

Инициация синтеза РНК состоит из ряда этапов, в которых участвуют общие факторы транскрипции. TBP (TATA-binding protein) сгибает ДНК вокруг С-концевого домена TFIIB, в результате чего образуется комплекс этого белка с полимеразой, и ее активный центр ориентируется так, что оказывается напротив стартового участка транскрипции на ДНК. Далее к комплексу инициации последовательно присоединяются другие транскрипционные факторы - TFIIH и TFIIE. Первый из них расплетает участок ДНК, находящийся в активном центре фермента, а второй удерживает некодирующую цепь расплетенной петли ДНК. При этом ось гибридной ДНК-РНК спирали повернута приблизительно на 90о по отношению к дуплексу ДНК (см. рис.2), вступающему в реакцию транскрипции, благодаря полипептидной “стенке”, которая препятствует прямому прохождению нуклеиновой кислоты через щель. В инициации транскрипции своеобразную роль играет один из доменов TFIIB, названный В-пальцем: он занимает в щели активного центра полимеразы то же место, что и гибрид ДНК-РНК, конкурируя с последним. В начале инициации транскрипции TFIIB стабилизирует гибридный участок, содержащий короткий фрагмент - до пяти нуклеотидов - вновь синтезированной РНК. При дальнейшем увеличении гибридной спирали начинается конкуренция между растущей цепью РНК и TFIIB за пространство в ложбине активного центра полимеразы. По терминологии Корнберга, если побеждает РНК, ее синтез продолжается, и инициация переходит в элонгацию транскрипции: полимераза перемещается за пределы промотора, двигаясь по ДНК. Все факторы транскрипции, кроме IIF, выходят из комплекса инициации. Если же побеждает в конкуренции с РНК TFIIB, синтез РНК прерывается на уровне девяти нуклеотидов, комплекс распадается и инициация начинается заново. Этот феномен, известный ранее как “абортивная” инициация транскрипции, получил объяснение на молекулярном уровне только после исследований Корнберга.

Кристаллографическое исследование комплексов полимеразы с нуклеотидами позволило описать поэтапно ход присоединения нуклеотида к растущей цепи (рис.3). На первом этапе NTP (нуклеозидтрифосфат) приближается к растущей цепи и связывается в Е-сайте ниже активного центра в обращенной ориентации. Далее происходит вращение нуклеотида, в результате чего он перемещается в

А-сайт. В случае комплементарности входящего нуклеотида матричному основанию ДНК на третьем этапе образуется фосфодиэфирная связь. Все завершается транслокацией, необходимой для повторения цикла. Отбор комплементарного нуклеотида контролируется свойствами РНК-ДНК гибрида. Если нуклеотид некомплементарен, он не удерживается в активном центре, и селекция продолжается. Таким образом, в серии кристаллографических исследований комплексов РНК-полимеразы с компонентами системы была установлена на атомном уровне динамическая картина инициации транскрипции.

РНК-полимераза II и медиатор взаимодействуют между собой за счет множества контактов, посредством которых осуществляется перенос сигналов от активатора, связанного с энхансером, к комплексу инициации транскрипции. Начало детальным исследованиям комплекса медиатора с полимеразой положила публикация (незадолго до присуждения Корнбергу премии), в которой рассматривается взаимодействие головной части медиатора из семи субъединиц с ферментом в присутствии фактора транскрипции IIF. Для выяснения динамических взаимодействий на атомном уровне в дальнейшем необходимо будет изучать комплексы разных частей медиатора с компонентами системы инициации транскрипции.

Краткое резюме основных достижений Корнберга сводится к следующему. Им установлена общая картина действующего комплекса инициации транскрипции с участием РНК-полимеразы II, общих факторов транскрипции и медиатора, открытого Корнбергом. Промотор за счет ремоделирования хроматина освобождается от нуклеосомы и взаимодействует с ферментом и остальными элементами системы, в результате чего и образуется комплекс инициации транскрипции, состоящий примерно из 60 белков (более 3МДа). Медиатор осуществляет перенос как положительных, так и отрицательных сигналов к транскрипционной машине. Благодаря рентгеноструктурному анализу нынешнему нобелевскому лауреату удалось построить - с атомным разрешением - динамическую картину событий в активном центре РНК-полимеразы II с участием других компонентов системы. В результате было установлено, каким образом осуществляется узнавание промотора, селекция нуклеотидов, образование фосфодиэфирной связи, рост цепи РНК и переход от стадии инициации транскрипции к элонгации.

По словам нового нобелевского лауреата, его исследования были бы немыслимы без его сотрудников и помощников, которые могли бы разделить с ним эту высшую научную премию.

доктор биологических. наук

Институт молекулярной биологии им.В.А.Энгельгардта РАН

Р. Корнберг.

Рис.1. Схематическое изображение комплекса инициации транскрипции ДНК. В составе комплекса приведены общие факторы транскрипции (TFIIB, E, F, H и TBP), РНК-полимераза II, медиатор и специфический фактор транскрипции, связанный с энхансером - последовательностью, довольно удаленной от промотора и регулирующей его.

Рис.2. Фрагмент структуры

РНК-полимеразы II, содержащий щель, в которой локализован активный центр фермента.

Показаны спираль ДНК (синяя), растущая цепь РНК (красная),

ион металла в активном центре в виде фиолетовой сферы и “мостиковая” a-спираль (зеленая).

Рис.3. Четыре кристаллические структуры комплексов

РНК-полимеразы II с нуклеозидтрифосфатами. Изображена область активного центра фермента, в которой находятся транскрибируемая ДНК (синяя), синтезируемый участок РНК (красный), присоединяемый нуклеотид (желтый), ионы Mg (фиолетовые) и пептидная спираль (зеленая). Показаны четыре этапа присоединения нуклеотида к растущей цепи РНК: связывание нуклеотида в Е-сайте (вверху слева); ротация комплементарного нуклеотида в А-сайте (вверху справа); образование фосфодиэфирной связи (внизу справа) и транслокация нуклеотида.

По физиологии или медицине - Э.Файер и К.Мэллоу

Нобелевская премия по физиологии или медицине за 2006 г. присуждена американским ученым - Э.Файеру и К.Мэллоу - “за открытие фундаментального явления РНК-интерференции - подавления экспрессии генов с помощью двуцепочечной РНК”.

Эндрю Файер (Andrew Fire) родился 27 апреля 1959 г. в Пало-Альто (штат Калифорния, США). В 1978 г. получил степень бакалавра по математике в Калифорнийском университете в Беркли, а в 1983 г. - докторскую степень по биологии в Массачусетсском технологическом институте (Кембридж) под руководством Ф.Шарпа (нобелевского лауреата 1993 г.). В настоящее время - член Национальной академии наук и Американской академии искусств и науки, профессор кафедр патологии и генетики медицинской школы Станфордского университета.

Крэйг Мэллоу (Craig Mello) родился 18 октября 1960 г. в Нью-Хейвене (штат Коннектикут, США). В 1982 г. окончил Университет Брауна (штат Род-Айленд), докторскую степень по биологии получил в 1990 г. в Гарвардском университете (Бостон, штат Массачусетс). Ныне - член Национальной академии наук, профессор кафедры молекулярной медицины медицинской школы Университета штата Массачусетс (Ворчестер), а также научный сотрудник Медицинского исследовательского института им.Говарда Хьюза.

Давно известно, что молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК), состоящей, как и ДНК, из последовательности нуклеотидов, осуществляют передачу генетической информации от ДНК для синтеза белков (матричные РНК) и собственно синтез белка (рибосомальные и транспортные РНК, которые сами не кодируют белок). Впоследствии были обнаружены и другие типы некодирующих РНК, которые выполняют в клетке множество различных функций. Настоящей сенсацией стало открытие Файера и Мэллоу, опубликовавших в 1998 г. в “Nature” результаты своих экспериментов: инъекция молекул двуцепочечной РНК (РНК в виде двух спаренных комплементарных цепей) в организм нематоды Caenorhabditis elegans приводит к эффективному и строго специфичному выключению (подавлению экспрессии) гена, нуклеотидная последовательность которого совпадает с нуклеотидной последовательностью введенной двуцепочечной РНК [1]. После выключения гена перестает образовываться кодируемый им белок и, следовательно, исчезает определенный признак; при этом другие гены организма продолжают работать. Поскольку в данном случае происходит “наложение” гомологичных по нуклеотидной последовательности нуклеиновых кислот, Файер и Мэллоу назвали это явление РНК-интерференцией (RNA interference, RNAi) по аналогии с интерференцией (наложением волн) в физике. Стало очевидным, что двуцепочечная РНК может быть использована для избирательного воздействия на определенный ген, и в руках исследователей появилась технология, позволяющая точечно нарушать работу генов.

Открытие РНК-интерференции, несомненно, одно из главных событий молекулярной биологии и генетики на рубеже веков, а наиболее важное следствие этого открытия - обнаружение новых фундаментальных механизмов, с помощью которых молекулы РНК могут влиять на экспрессию генов. Кроме того, в настоящее время этот подход уже широко применяется как лабораторный метод для выявления функций генов, в том числе и при изучении генома человека. Уже в ближайшем будущем могут появиться основанные на принципе РНК-интерференции лекарства нового поколения, действующие специфично на определенный ген и выключающие синтез кодируемого

им белка. Такими мишенями

РНК-интерференции могут быть, например, гены, активные в клетках опухолей, или гены, обеспечивающие размножение вирусов.

Необходимо отметить, что подавить экспрессию гена с помощью соответствующих ему по нуклеотидной последовательности РНК пытались не только Файер и Мэллоу. Еще в 1984 г. Г.Вайнтрауб предложил использовать для этих целей антисмысловую РНК (РНК, комплементарную матричной РНК) [2]. Предполагалось, что антисмысловая одноцепочечная РНК может спариваться с гомологичной по нуклеотидной последовательности матричной РНК и препятствовать ее трансляции (синтезу белка). Применение этого метода как раз и привело в 1998 г. Файера и Мэллоу к неожиданному наблюдению: инъекция контрольной смысловой РНК (совпадающей с матричной РНК по последовательности) в организм нематоды приводила к такому же эффекту, что и антисмысловой. Более тщательный анализ показал, что активный, нарушающий экспрессию, компонент - вовсе не смысловая или антисмысловая РНК, а двуцепочечная РНК (дцРНК), содержащаяся в обоих препаратах в виде примеси. Введение только дцРНК в организм нематоды привело к подавлению экспрессии гомологичного ей гена с несравненно большей эффективностью, чем инъекции смысловой или антисмысловой цепей РНК по отдельности.

Уже первые исследования РНК-интерференции, проведенные на нематоде, выявили важную особенность дцРНК - она способна действовать в очень низких концентрациях. По расчетам, эффективными оказываются концентрации, соответствующие всего нескольким молекулам дцРНК на клетку. Это могло объясняться каталитическим действием дцРНК на многие молекулы матричной РНК. Другими словами, в клетке существует “белковая машина” РНК-интерференции, которая, используя сигнал, полученный от дцРНК, способна обнаруживать и инактивировать в клетке матричную РНК, совпадающую по нуклеотидной последовательности с дцРНК.

В последующие два-три года было установлено, что дцРНК способна вызывать избирательное подавление экспрессии генов не только у нематоды, но и у самых разных организмов (дрозофилы, планарии, гидры, одноклеточной трипаносомы, растений, рыб) и, наконец, в 2001 г. РНК-интерференцию удалось применить в экспериментах с клетками млекопитающих и человека.

Одновременно начались исследования самого процесса РНК-интерференции с использованием как генетического, так и биохимического подходов. По мере выяснения действия дцРНК в клетках беспозвоночных животных оказалось, что феномен РНК-интерференции имеет много общего с другим явлением, обнаруженным за несколько лет до этого у растений, - косупрессией. Косупрессия была впервые описана в 1990 г. в ходе опытов по получению трансгенных растений. Была обнаружена парадоксальная закономерность: общий уровень экспрессии трансгенов может резко снижаться или даже полностью подавляться при увеличении числа их копий. Если трансгены гомологичны хозяйскому гену, то его экспрессия также подавляется. В 1999 г. английские генетики А.Гамильтон и Д.Баулкомб обнаружили, что в процессе косупрессии образуются короткие (около 20-25 нуклеотидов) молекулы РНК, соответствующие по последовательности введенным трансгенам [3].

Спустя некоторое время короткие РНК были выявлены при проведении РНК-интерференции в бесклеточных системах, созданных из эмбрионов или культуры клеток дрозофилы в лаборатории Ф.Шарпа (лауреата нобелевской премии 1993 г. за открытие явления сплайсинга РНК, “прерывистой структуры гена” [4]). Оказалось, что при инициации РНК-интерференции происходит нарезание длинной молекулы дцРНК на короткие (21-23-нуклеотидные РНК), называемые также siРНК (short interfering RNAs), а на следующем этапе осуществляется расщепление матричной РНК с совпадающей нуклеотидной последовательностью. Стало очевидным, что короткие РНК, образующиеся из длинных дцРНК дуплексов, - активная форма сигнала, действующее начало машины РНК-интерференции.

В 2001 г. в лаборатории Г.Хэннона был охарактеризован фермент, образующий короткие РНК из дцРНК и получивший название Dicer (от англ. to dice - нарезать в форме кубиков) [5]. Сейчас известно, что белок Dicer одним из своих доменов может “заякорить” конец молекулы дцРНК, при этом другой домен, находящийся на расстоянии в 20-25 пар нуклеотидов, производит разрывы в обеих цепях дцРНК. Таким образом, Dicer действует как “молекулярная линейка”, безошибочно отмеряющая и штампующая короткие дцРНК с заданным размером и определенными структурными особенностями. Затем Dicer передает короткие РНК другим комплексам, содержащим белки семейства Argonaute*. На следующем этапе происходит расплетание дуплекса коротких РНК, одна из цепей которого обнаруживает в клетке комплементарные ей молекулы РНК (мишени), в результате чего белок Argonaute катализирует подавление их экспрессии. На данный момент известно несколько молекулярных механизмов, с помощью которых может подавляться экспрессия мишеней при РНК-интерференции: белок Argonaute обладает способностью разрезать РНК-мишень, а также блокировать трансляцию матричной РНК. Кроме того, в некоторых случаях комплексы коротких РНК с белками Argonaute могут подавлять непосредственно транскрипцию (синтез РНК) гена-мишени в клеточном ядре.

Большинство клеточных РНК не содержат протяженных двуцепочечных участков, поэтому дцРНК в определенном смысле - чужеродная для клетки форма РНК. Какова же естественная роль РНК-интерференции в природе и для чего сам организм использует эту систему? Уже сразу после открытия Файера и Мэллоу возникло предположение, что механизм РНК-интерференции нужен для противодействия РНК-вирусам, которые образуют молекулы дцРНК на некоторых жизненных стадиях. Кроме того, оказалось, что РНК-интерференция направлена на подавление активности подвижных “эгоистических” генов (так называемых мобильных генетических элементов), перемещения которых в геноме, как правило, вредны для организма, поскольку приводят к мутациям и хромосомным перестройкам. Было обнаружено, что транскрипция мобильных элементов действительно может приводить к образованию молекул дцРНК. По-видимому, аппарат РНК-интерференции возник в процессе эволюции как защитная система организма, действующая на уровне нуклеиновых кислот.

Короткие РНК участвуют также и в регуляции клеточных матричных РНК. У нематоды С.elegans еще задолго до открытия Файера и Мэллоу была найдена эндогенная короткая (22 нуклеотида) РНК lin-4, останавливающая трансляцию комплементарной матричной РНК на определенной стадии эмбрионального развития. Это рассматривалось как уникальный для нематоды механизм подавления трансляции. После обнаружения коротких РНК в процессе РНК-интерференции стало понятно, что РНК lin-4 может вырезаться из дцРНК-предшественника также с помощью белка Dicer, что действительно было показано. С 2002 г. у различных видов животных и растений были выявлены сотни видов эндогенных коротких РНК (так называемые микроРНК), которые образуются из “дцРНК-шпилек”, формирующихся при транскрипции генов микроРНК. К настоящему времени установлены функции лишь нескольких десятков типов микроРНК (т.е. идентифицированы регулируемые с их помощью гены-мишени). Так, выяснилось, что микроРНК участвуют в формировании осей тела и дифференцировке тканей в раннем онтогенезе у нематоды, дрозофилы и человека, направляют образование нервной системы у рыб и определяют форму листьев у растений. Даже эти примеры показывают, сколь велико может оказаться значение микроРНК в процессах развития. Теоретически около трети всех матричных РНК человека могут быть мишенями микроРНК, что позволяет ограничивать экспрессию многих белков в определенных типах клеток на той или иной стадии онтогенеза. Не удивительно, что нарушение “работы” некоторых микроРНК, согласно исследованиям последних трех лет, может стать причиной развития опухолей.

Таким образом, за восемь лет, прошедших с момента публикации Файера и Мэллоу, изучение РНК-интерференции получило чрезвычайно бурное развитие. Сразу же после открытия РНК-интерференцию стали применять в качестве мощного и удобного способа специфического подавления экспрессии генов для выяснения их функций. В этом случае используются “экзогенные” дцРНК или короткие РНК, которые могут быть синтезированы in vitro или же транскрибироваться с интегрированных в геном конструкций. В наши дни РНК-интерференция стала одним из наиболее популярных подходов в функциональной геномике, в том числе для массового скрининга генов.

По словам Файера, Грааль в РНК-интерференции - это терапевтический потенциал коротких РНК. Такая терапия основана на древнем и консервативном механизме регуляции генов, используемом организмом, в том числе и для защиты от вирусов. Уже разрабатываются технологии лечения с помощью РНК-интерференции (правда, пока на мышах и других модельных млекопитающих): короткие РНК оказались эффективны против вирусов иммунодефицита человека и гепатита С. Получены данные, позволяющие надеяться, что короткие РНК можно будет использовать для терапии нейродегенеративных, кардиоваскулярных и эндокринных заболеваний, а также рака. Лечение с помощью коротких РНК, направленное на подавление лишь одного гена, качественно отличается от всех других методов терапии рака (например, химиотерапии), направленных в основном на уничтожение раковых клеток и имеющих множество побочных эффектов.

кандидат биологических наук

Институт молекулярной

генетики РАН

Э. Файер.

К. Мэллоу.

* Белки названы “Argonaute”, поскольку первая из описанных мутаций в соответствующих генах у растений приводила к необычной форме листьев, напоминавших щупальца головоногих моллюсков - аргонавтов.

Механизм РНК-интерференции (слева) и структура белка Dicer [6]. Молекулы дцРНК могут представлять собой РНК-шпильку или две спаренные комплементарные друг другу цепи РНК. Длинные молекулы дцРНК нарезаются (процессируются) в клетке на короткие ферментом Dicer: один из его доменов специфически связывает конец молекулы дцРНК (отмечен звездочкой), при этом другой - производит разрывы (отмечены белыми стрелками) в обеих цепях дцРНК. В результате образуется двунитевая РНК длиной 20-25 нуклеотидов (siРНК), а Dicer переходит к следующему циклу разрезания дцРНК, связываясь с ее новообразованным концом. Эти siРНК могут включаться в состав комплекса, содержащего белок Argonaute (AGO). Одна из цепей siРНК в комплексе с белком AGO находит в клетке комплементарные ей молекулы матричной РНК (мРНК). AGO разрезает молекулы мРНК-мишени, в результате чего мРНК деградирует, или останавливает трансляцию мРНК на рибосоме. Короткие РНК могут также подавлять транскрипцию (синтез РНК) гомологичного им по нуклеотидной последовательности гена в ядре.

кандидат биологических наук

Институт молекулярной

генетики РАН

Литература

1. Fire A.Z., Xu S.Q., Montgomery M.K., Kostas S.A., Driver S.E., Mello C.C. // Nature. 1998. №391. P.806-811.

2. Izant J.G., Weintraub H. // Cell. 1984. №36. P.1007-1015.

3. Hamilton A.J., Baulcombe D.C. // Science. 1999. №286. P.950-952.

4. Лауреаты нобелевской премии 1993 года. По физиологии и медицине - Р.Робертс и Ф.Шарп // Природа. 1994. №1. С.110-111.

5. Bernstein E., Caudy A. A., Hammond S. M., Hannon G.J. // Nature. 2001. №409. P.363-366.

6. MacRae I.J., Zhou K., Li F. et al. // Science. 2006. V.311. №5758. P.195-198.