VIVOS VOCO: Корочкин Л.И., Фридман С.А., "Пионер молекулярной биологии" (Розалинда Франклин)

Пионер молекулярной биологии

Памяти Розалин Франклин

Член-корреспондент РАН Л.И. Корочкин
С.А. Фридман
Москва

В прошлом году весь научный мир отмечал 50-летие выдающегося открытия XX в. - расшифровки пространственной структуры ДНК. Это замечательное событие датируется 1953 г., когда Ф.Крик и Дж.Уотсон опубликовали в “Nature” модель трехмерной структуры основного вещества наследственности. С этой модели, получившей впоследствии название двойная спираль, началось развитие новой науки - молекулярной биологии.

В 1962 г. авторы двойной спирали и М.Уилкинс стали обладателями Нобелевской премии. Просматривая биографические очерки о нобелевских лауреатах, мы обратили внимание, что в каждом из них упоминается имя Розалин Франклин, которая работала вместе с Уилкинсом и получила первую рентгенограмму структуры ДНК.

Захотелось узнать об этой женщине побольше. Но ни в одном из наших толстых энциклопедических словарей имени Розалин Франклин обнаружить не удалось. Помогла небольшая книжка Уотсона - “Двойная спираль”, в которой на 150 страницах шаг за шагом прослеживается история важнейшего открытия, выпавшего на вторую половину XX в.

Поразительное явление: трое здоровых и хорошо обеспеченных молодых людей и одна маленькая девушка, сбежавшая из богатой семьи и живущая в бедности и одиночестве. Освоив небезопасный, по тем временам, для жизни человека вид экспериментальной деятельности - рентгеноструктурный анализ, она доказала своим коллегам, что ДНК, это чудо природы, объединяющее собой человека и мушку дрозофилу или червячка нематоду, имеет не одинарную, как считал Л.Полинг, а двойную форму спирали.

Розалин Франклин (Rosalind Franklin) родилась 25 июля 1920 г. в Лондоне, в известной еврейской семье, приехавшей в Портсмут из Германии еще в 1784 г. Она посещала одну из немногих в Лондоне школ для девочек, где преподавали химию и физику, и была весьма упорна в учебе.

В 15 лет Розалин решила стать ученым. Ее отец, Элис Франклин, ярый противник высшего образования для девочек, хотел видеть дочь социальным работником. В конце концов он все же уступил желанию Розалин. В 1938 г. она поступила в колледж Ньюхем в Кембридже и окончила его в 1941 г. Еще в течение года она поддерживала связь с колледжем, а потом уехала работать в Британскую ассоциацию исследователей угля, где занялась исследованиями в области переработки углеродных и графитных микроструктур. Эта работа послужила основой ее докторской диссертации по физической химии, которую она защитила в Кембридже в 1945 г.

После защиты Франклин в течение трех лет (1947-1950), изучая технику дифракции рентгеновского излучения в Париже, в Центральной лаборатории химических исследований де Л‘Етат, обнаружила особые структуры. Впоследствии их стали обозначать углеродными волокнами. Уже тогда она была признанным специалистом в области кристаллографии.

В 1951 г. Розалин вернулась в Лондон и стала работать в лаборатории Джона Рендалла в Королевском колледже, где встретилась с Морисом Уилкинсом. Каждый из них руководил своей исследовательской группой и вел самостоятельную тему, но обе они были связаны с ДНК.

Когда Рендалл поручил Франклин работу по раскрытию структуры ДНК, этим вопросом уже многие месяцы никто не занимался. Уилкинса тогда не было в лаборатории. Вернувшись, он поначалу повел себя так, будто Франклин всего лишь его технический помощник. Розалин обиделась, ведь они были ровесниками и коллегами. “Дело дошло до того, что она перестала сообщать Морису свои последние результаты. И узнать о них он мог не раньше чем через три недели, в середине ноября, когда Рози готовила доклад на семинаре о своей работе за истекшие полгода”. Поведение Мориса было не удивительно, оно просто отражало тогдашнее пренебрежительное отношение к женщинам в науке. В то время в университетские столовые допускались только мужчины, а после работы они, коллеги Франклин, ходили целой компанией в мужские кафе, так называемые пабы.

Все же Франклин самостоятельно продолжала свою работу по ДНК. Джон Бернал, большой специалист по рентгеноструктурному анализу, назвал ее снимки ДНК самыми красивыми из всех, которые к тому времени были кем-либо сделаны.

Уже было известно, что наследование физических свойств живого организма определяют гены. Уже открыли нуклеиновую кислоту и показали, что она находится в ядре клетки. Биохимики определили химическую природу нуклеиновых кислот и обнаружили, что гены образованы одной из этих кислот - дезоксирибонуклеиновой (ДНК). Доказали, что гены управляют биосинтезом клеточных белков и таким образом контролируют биохимические процессы в клетке. Уже знали, что ДНК образована молекулами моносахарида группы пентоз, фосфатом и четырьмя азотистыми основаниями - аденином и тимином, гуанином и цитозином. В 1950 г. Эрвин Чаргафф из Колумбийского университета показал, что ДНК включает в себя равные попарно количества этих азотистых оснований.

С 1951 по 1953 г. Розалин сделала достаточно много, чтобы завершить работу по структуре ДНК. Она, проведя рентгеноструктурные исследования молекул ДНК, выявила A- и B-формы ДНК. Затем рассчитала функцию Паттерсона и, использовав специальный метод суперпозиции, показала, что фосфатные группы должны располагаться снаружи молекулы ДНК.

Когда Уилкинс принес Крику одну из рентгенограмм, полученную Франклин, тот сразу увидел решение: ДНК имеет форму двойной спирали, напоминающей винтовую лестницу. Именно опираясь на результаты, полученные Розалин, Крик и Уотсон разработали модель пространственной структуры молекулы ДНК; и в 1953 г. продемонстрировали в “Nature” научной общественности механизм ее действия в процессах биосинтеза. Работа Франклин вышла в том же журнале как вспомогательный материал.

Двойная спираль, состоящая из двух цепей дезоксирибозофосфата, соединенных парами оснований аналогично ступенькам лестницы. Посредством водородных связей аденин соединяется с тимином, а гуанин - с цитозином. С помощью этой модели можно было проследить репликацию самой молекулы ДНК.

Таким образом, был доказан матричный принцип воспроизведения наследственного материала, предсказанный великим русским биологом Н.К.Кольцовым. Две части молекулы ДНК отделяются друг от друга в местах водородных связей, что очень похоже на расстегивание застежки-молнии. По каждой половине прежней молекулы синтезируется новая молекула ДНК. Последовательность оснований функционирует как матрица, или образец, для образования новых молекул ДНК. Весь научный мир оценил открытие химической структуры ДНК как одно из наиболее выдающихся биологических открытий века.

Уже после публикации статей Крика и Уотсона Франклин перешла в лабораторию Дж.Бернала, где весьма продуктивно занималась вирусом табачной мозаики, а также начала работать с вирусом полиомиелита.

Мужество и цельность натуры Розалин стали всем очевидны, когда она, узнав в 1956 г. о своей смертельной болезни, связанной с непрестанным облучением рентгеновскими лучами, не жалуясь, продолжала работать почти до самой смерти. Она умерла от рака 16 апреля 1958 г. в 37-летнем возрасте, за три года до выдвижения на Нобелевскую премию, которую, естественно, не получила. В соответствии с Нобелевским уставом премия дается только живым в качестве поощрительного гранта, позволяющего лауреату продолжить научную деятельность.

История ДНК - это извечная история соревнований и интриг: один путь в книге Дж.Уотсона “Двойная спираль”, другой - в исследовании Анны Сэйр Розалин Франклин и ДНК. Наверное, не было другой женщины, которая бы столь полно посвятила себя науке, как Розалин Франклин. Споры о значении ее работ продолжаются до сих пор. Некоторые считают ее первоклассным ученым, роль которого в изучении ДНК огромна. Ведь она одна выполнила большую часть работы, доказывающей существование двойной спирали, и труд ее, положивший начало величайшему открытию

XX в., по существу стал точкой отсчета для рождения молекулярной генетики. Мы думаем, что родословную этого научного направления нужно начинать не с Ф.Крика и Дж.Уотсона, а с Розалин Франклин.

Основные вехи генетики и геномики после открытия двойной спирали ДНК

1951	Р.Франклин получила первую рентгенограмму молекулы ДНК.
1953	Ф.Крик и Дж.Уотсон, опираясь на результаты опытов биохимиков и на данные рентгеноструктурного анализа, создали структурную модель ДНК в форме двойной спирали.
1956	А.Корнберг обнаружил первый фермент, способный синтезировать ДНК в пробирке - ДНК-полимеразу.
1958	К.Маркерт открыл изоферменты и их генетический контроль. М.Месельсон и Ф.Сталь демонстрируют полуконсервативную репликацию ДНК.
1961	В работах М.У.Ниренберга, Р.У.Холли и X.Г.Кораны начата расшифровка языка жизни - кода, которым в ДНК записана информация о структуре белковых молекул. Ф.Жакоб и Ж.Моно пришли к выводу о существовании двух групп генов - структурных, отвечающих за синтез специфических белков, и регуляторных, осуществляющих контроль за активностью структурных генов. С.Бреннер, Ф.Жакоб и М.Месельсон открыли матричную РНК.
1962	Дж.Гердон осуществил первое клонирование животного организма (лягушки).
1969	X.Г.Корана синтезировал химическим путем первый ген.
1970	Х.Темин и Д.Балтимор открыли фермент, синтезирующий ДНК с применением комплементарной РНК в качестве матрицы. Д.Натанс, X.Смит и В.Арбер выделили фермент, разрезающий ДНК в строго определенных местах.
1972	П.Берг получил первые рекомбинантные ДНК. Заложены основы генной инженерии.
1973	С.Коэн и Г.Бойер разработали стратегию переноса генов в бактериальную клетку.
1974	С.Мильштейн и Г.Келер разработали технологию получения моноклональных антител. К.Маррей и Н.Маррей открыли фаг лямбда как вектор для чужеродной ДНК.
1975	Осуществлено первое клонирование кДНК. Е.Саузерн открыл метод переноса фрагментов ДНК с агарозных гелей на нитроцеллюлозные фильтры и тем самым заложил основы метода блот-гибридизации. Х.М.Темин, Д.Балтимор и Р.Дульбекко получили Нобелевскую премию за открытия, касающиеся взаимодействия между опухолевыми вирусами и генетическим материалом клетки. Они открыли вирусный фермент, обеспечивающий передачу генетической информации от РНК к ДНК, сформулировали теорию провируса и показали, что ретровирусы могут вызывать различные заболевания, включая СПИД, гепатит и некоторые формы рака.
1976	Основана первая генно-инженерная компания (Genentech), использующая технологию рекомбинантных ДНК для производства различных ферментов и лекарственных средств. Дж.Бишоп и Г.Вармус показали, что клеточный протоонкоген в здоровой клетке управляет ее ростом и делением. Д.Хогнесс, Г.П.Георгиев и В.А.Гвоздев открыли подвижные генетические элементы у дрозофилы.
1977	У.Гилберт, Ф.Сенгер и А.Максам опубликовали быстрые методы определения (секвенирования) длинных нуклеотидных последовательностей ДНК. Секвенирован первый ген человека.
1978	Компания “Genentech” осуществила перенос гена инсулина в бактериальную клетку, где на нем синтезирован проинсулин. Группа Т.Маниатиса создает первую геномную библиотеку.
1979	В.Бендер, П.Спирер и Д.Хогнесс разработали метод хромосомной прогулки, позволивший впервые клонировать протяженный фрагмент ДНК.
1980	Дж.Гордон с соавторами получили первую трансгенную мышь… Трансгеноз стал основным подходом для решения практических задач сельского хозяйства и медицины.
1981	Несколько независимых исследовательских групп сообщили об открытии человеческих онкогенов.
1982	С.Альтман показал, что РНК может обладать каталитическими свойствами, как и белок. А.Спрэдлинг и Дж.Рубин использовали мобильный Рэлемент для введения трансформации генома дрозофилы.
1984	А.Джеффрис создает метод геномной дактилоскопии, в котором ДНК используются для идентификации личности.
1985	Р.Санки и К.Мюллен разработали метод цепной полимеразной реакции.
1986	Начало эпохи массированного клонирования генов опухолеобразования.
1988	Создан международный проект “Геном человека”, поставивший своей целью полное секвенирование ДНК человека.
1990	Создана Международная организация по изучению генома человека (HUGO). Ф.Коллинз и Л.-Ч.Тсуи определили первый ген человека (CFTR), отвечающий за наследственное заболевание. В.Андерсон осуществил первое успешное применение генной терапии для лечения больной с наследственным иммунодефицитом.
1995	Определена полная последовательность генома первых самостоятельно существующих организмов - бактерий Haemophilis influenza и Mycoplasma genitalia. Геномика стала самостоятельным разделом генетики.
1996	Клонирован геном Sacharomyces cerevisiae. Е.Льюис, К.Нюсслейн-Вольхардт и Э.Вишхаус получили Нобелевскую премию за раскрытие генетических механизмов регуляции раннего развития животных, включая сегментацию их тела.
1997	С.Прузинер получил Нобелевскую премию за открытие прионов, ответственных за болезнь коровье бешенство у крупного рогатого скота. Я.Вильмут с сотрудниками впервые клонировали млекопитающее - овцу Долли.
1999	Определена полная нуклеотидная последовательность первого высшего организма - нематоды Caenorhabditis elegans. Полностью секвенирована ДНК хромосомы 22 человека.
2000	Вчерне завершено полное секвенирование генома человека и дрозофилы.
2002	Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили С.Бреннер, Р.Хорвиц и Дж.Салстон за открытие в области генетического регулирования развития органов и запрограммированной клеточной смерти - апоптоз.

Использованные источники:

1. Уотсон Дж.Д. Двойная спираль. М., 1969.

2. Корочкин Л.И. Введение в генетику развития. М., 1999.

3. Тарантул В.З. Геном человека. Энциклопедия, написанная четырьмя буквами. М., 2003.

4. Скулачев В.П. Лауреаты Нобелевской премии 2002 года. По физиологии и медицине - С.Бреннер, Х.Р.Хорвиц и Дж.Салстон // Природа. 2003. №1. С.76-77.

5. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. Новосибирск, 2003.