Двойная спираль ДНК: открытие структуры нуклеиновых кислот.

Введение

Научная статья 1953 года о спиральной структуре ДНК Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика «Молекулярная структура нуклеиновых кислот: структура дезоксирибонуклеиновой кислоты» стала первой опубликованной работой, описывающей открытие структуры двойной спирали ДНК, основанной на рентгеноструктурном анализе и математическом аппарате преобразования спирали. Она была опубликована Фрэнсисом Криком и Джеймсом Д. Уотсоном в научном журнале Nature на страницах 737–738 тома 171 (от 25 апреля 1953 года). Эта статья часто называют «жемчужиной» науки, поскольку она лаконична и содержит ответ на фундаментальную загадку о живых организмах: вопрос о том, как генетическая информация хранится в организмах и передается из поколения в поколение. В статье представлено простое и изящное решение, которое удивило многих биологов того времени, полагавших, что механизм передачи ДНК будет гораздо сложнее установить и понять. Это открытие оказало огромное влияние на биологию, особенно на генетику, позволив последующим исследователям расшифровать генетический код.

Эволюция молекулярной биологии

Применение физики и химии к биологическим проблемам привело к развитию молекулярной биологии, которая особенно занимается потоком и последствиями биологической информации от ДНК к белкам. Открытие двойной спирали ДНК показало, что гены являются функционально определенными участками молекул ДНК и что клетки должны иметь способ транслировать информацию из ДНК в специфические аминокислоты, из которых состоят белки. Линус Полинг был химиком, оказавшим значительное влияние на развитие понимания структуры биологических молекул. В 1951 году Полинг опубликовал структуру альфа-спирали, фундаментально важного структурного элемента белков. В начале 1953 года Полинг опубликовал модель ДНК в виде тройной спирали, которая впоследствии оказалась ошибочной. Крик и, особенно, Уотсон считали, что они соперничают с Полингом в открытии структуры ДНК. Макс Дельбрюк был физиком, который осознал некоторые биологические следствия квантовой физики. Мысли Дельбрюка о физических основах жизни побудили Эрвина Шрёдингера написать книгу "Что такое жизнь?". Книга Шрёдингера оказала важное влияние на Крика и Уотсона. Усилия Дельбрюка по развитию "Фаговой группы" (изучение генетики посредством вирусов, заражающих бактерии) были важны для раннего развития молекулярной биологии в целом и формирования научных интересов Уотсона в частности. Крик, Уотсон и Морис Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие структуры двойной спирали ДНК.

Структура и функция ДНК

Не всегда легко установить связь между структурой молекулы и ее функцией. То, что делает структуру ДНК столь очевидно связанной с ее функцией, было скромно описано в конце статьи: "Мы не могли не заметить, что специфическое спаривание, которое мы постулировали, сразу же наводит на мысль о возможном механизме копирования генетического материала". "Специфическое спаривание" – ключевая особенность модели ДНК Уотсона и Крика, спаривание нуклеотидных субъединиц. В ДНК количество гуанина равно количеству цитозина, а количество аденина равно количеству тимина. Пары A:T и C:G структурно похожи. В частности, длина каждой пары оснований одинакова, и они одинаково хорошо помещаются между двумя сахарно-фосфатными цепями. Пары оснований удерживаются вместе водородными связями – типом химического притяжения, которое легко разорвать и легко восстановить. Осознав структурное сходство пар A:T и C:G, Уотсон и Крик вскоре создали свою модель двойной спирали ДНК, в которой водородные связи в центре спирали обеспечивают возможность разъединения двух комплементарных цепей для легкой репликации – последнее ключевое требование для правдоподобной модели генетической молекулы. Действительно, спаривание оснований предполагало способ копирования молекулы ДНК. Просто разъедините две сахарно-фосфатные цепи, каждая со своими компонентами A, T, G и C, связанными водородными связями. Каждую цепь затем можно использовать в качестве матрицы для сборки новой комплементарной цепи.

Будущие соображения

Когда Уотсон и Крик представили свою модель двойной спирали ДНК, было известно, что большинство специализированных признаков различных форм жизни на Земле обеспечиваются белками. По своей структуре белки – это длинные цепи аминокислотных субъединиц. Должным образом, генетическая молекула ДНК должна была содержать инструкции для создания тысяч белков, присутствующих в клетках. Из модели двойной спирали ДНК стало очевидно, что должна существовать некоторая взаимосвязь между линейными последовательностями нуклеотидов в молекулах ДНК и линейными последовательностями аминокислот в белках. Детали того, как последовательности ДНК инструктируют клетки производить конкретные белки, были выяснены молекулярными биологами в период с 1953 по 1965 год. Фрэнсис Крик сыграл ключевую роль как в разработке теории, так и в анализе экспериментов, которые привели к углубленному пониманию генетического кода.

Последствия

Другие достижения в молекулярной биологии, последовавшие за открытием двойной спирали ДНК, в конечном итоге привели к разработке методов секвенирования генов. Джеймс Уотсон возглавлял проект «Геном человека» в Национальных институтах здоровья. Возможность секвенировать и манипулировать ДНК сейчас лежит в основе биотехнологической индустрии и современной медицины. Лаконичная красота структуры и практическая значимость двойной спирали ДНК в совокупности сделали статью «Молекулярная структура нуклеиновых кислот; Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты» одной из самых значимых биологических публикаций двадцатого века.

Сотрудники и споры

Хотя Уотсон и Крик первыми собрали все разрозненные фрагменты информации, необходимые для создания успешной молекулярной модели ДНК, их выводы основывались на данных, собранных исследователями в нескольких других лабораториях. Например, они опирались на опубликованные исследования, касающиеся открытия водородных связей в ДНК, проведенные Джоном Массоном Гулландом, Денисом Джорданом и их коллегами из Университетского колледжа Ноттингема в 1947 году. Однако для открытия двойной спирали ДНК также было использовано значительное количество материалов из неопубликованных работ Розалинд Франклин, А. Р. Стоукса, Мориса Уилкинса и Х. Р. Уилсона из Королевского колледжа Лондона. Ключевые данные Уилкинса, Стоукса и Уилсона, а также отдельно Франклин и Гослинга были опубликованы в двух отдельных дополнительных статьях в том же выпуске журнала Nature вместе со статьей Уотсона и Крика. В статье Уотсона и Крика признавалось, что они были «стимулированы» экспериментальными результатами исследователей из Королевского колледжа, и аналогичное признание было опубликовано Уилкинсом, Стоуксом и Уилсоном в следующей трехстраничной статье. В 1968 году Уотсон опубликовал весьма противоречивый автобиографический рассказ об открытии двойной спиральной молекулярной структуры ДНК под названием «Двойная спираль», который не был принят ни Криком, ни Уилкинсом. Кроме того, Эрвин Чаргафф опубликовал довольно «неблагоприятный отзыв» о книге Уотсона в выпуске журнала Science от 29 марта 1968 года. В книге Уотсон, среди прочего, заявил, что он и Крик имели доступ к некоторым данным Франклин из источника, о котором она не знала, а также что он видел – без ее разрешения – рентгенограмму дифракции Б-ДНК, полученную Франклином и Гослингом в мае 1952 года в Кингс-Колледже в Лондоне. В частности, в конце 1952 года Франклин представила предварительный отчет в Медицинский исследовательский совет, который был рассмотрен Максом Перуцем, в то время работавшим в лаборатории Кавендиша Кембриджского университета. Уотсон и Крик также работали в лаборатории Кавендиша в Кембридже, финансируемой MRC, в то время как Уилкинс и Франклин работали в лаборатории Кингс-Колледжа в Лондоне, также финансируемой MRC. Такие отчеты MRC обычно не распространялись широко, но Крик прочитал копию резюме исследований Франклина в начале 1953 года. Оправданием Перуца за передачу отчета Франклина о кристаллографической единице структуры ДНК B и ДНК A как Крику, так и Уотсону было то, что отчет содержал информацию, которую Уотсон слышал ранее, в ноябре 1951 года, когда Франклин обсуждала свои неопубликованные результаты с Раймондом Гослингом во время встречи, организованной М. Х. Ф. Уилкинсом в Королевском колледже по просьбе Крика и Уотсона; Перуц заявил, что не действовал неэтично, поскольку отчет был частью усилий по налаживанию более широких контактов между различными исследовательскими группами MRC и не был конфиденциальным. Это оправдание исключало бы Крика, который не присутствовал на встрече в ноябре 1951 года, но Перуц также предоставил ему доступ к данным отчета MRC Франклина. Затем Крик и Уотсон запросили разрешения у руководителя лаборатории Кавендиша Уильяма Лоуренса Брэгга на публикацию их молекулярной модели ДНК с двойной спиралью, основанной на данных Франклина и Уилкинса. К ноябрю 1951 года Уотсон, по его собственному признанию, получил мало опыта в рентгеновской кристаллографии и, следовательно, не полностью понял, что Франклин говорила о структурной симметрии молекулы ДНК. Однако Крик, зная преобразования Фурье функций Бесселя, которые представляют собой модели дифракции рентгеновских лучей спиральных структур атомов, правильно интерпретировал еще один экспериментальный результат Франклина, указывающий на то, что ДНК, скорее всего, является двойной спиралью с двумя полинуклеотидными цепями, идущими в противоположных направлениях. Крик оказался в уникальном положении, чтобы сделать эту интерпретацию, поскольку он ранее работал с данными рентгеновской дифракции для других крупных молекул, которые имели спиральную симметрию, подобную ДНК. Франклин, с другой стороны, отвергла первый подход к построению молекулярной модели, предложенный Криком и Уотсоном: первая модель ДНК, которую Уотсон представил ей и Уилкинсу в Лондоне в 1952 году, имела явно неправильную структуру с гидратированными заряженными группами внутри модели, а не снаружи. Уотсон прямо признал это в своей книге «Двойная спираль».

Although Watson and Crick were first to put together all the scattered fragments of information that were required to produce a successful molecular model of DNA, their findings had been based on data collected by researchers in several other laboratories. For example, they drew on published research relating to the discovery of Hydrogen bonds in DNA by John Masson Gulland, Denis Jordan and their colleagues at University College Nottingham in 1947. However the discovery of the DNA double helix also used a considerable amount of material from the unpublished work of Rosalind Franklin, A. R. Stokes, Maurice Wilkins, and H. R. Wilson at King's College London. Key data from Wilkins, Stokes, and Wilson, and, separately, by Franklin and Gosling, were published in two separate additional articles in the same issue of Nature with the article by Watson and Crick. The article by Watson and Crick acknowledged that they had been "stimulated" by experimental results from the King's College researchers, and a similar acknowledgment was published by Wilkins, Stokes, and Wilson in the following three page article. In 1968, Watson published a highly controversial autobiographical account of the discovery of the double helical, molecular structure of DNA called The Double Helix, which was not publicly accepted either by Crick or Wilkins. Furthermore, Erwin Chargaff also printed a rather "unsympathetic review" of Watson's book in the 29 March 1968 issue of Science. In the book, Watson stated among other things that he and Crick had access to some of Franklin's data from a source that she was not aware of, and also that he had seen—without her permission—the B DNA X ray diffraction pattern obtained by Franklin and Gosling in May 1952 at King's in London. In particular, in late 1952, Franklin had submitted a progress report to the Medical Research Council, which was reviewed by Max Perutz, then at the Cavendish Laboratory of the University of Cambridge. Watson and Crick also worked in the MRC supported Cavendish Laboratory in Cambridge whereas Wilkins and Franklin were in the MRC supported laboratory at King's in London. Such MRC reports were not usually widely circulated, but Crick read a copy of Franklin's research summary in early 1953. Perutz's justification for passing Franklin's report about the crystallographic unit of the B DNA and A DNA structures to both Crick and Watson was that the report contained information which Watson had heard before, in November 1951, when Franklin talked about her unpublished results with Raymond Gosling during a meeting arranged by M. H. F. Wilkins at King's College, following a request from Crick and Watson; Perutz said he had not acted unethically because the report had been part of an effort to promote wider contact between different MRC research groups and was not confidential. This justification would exclude Crick, who was not present at the November 1951 meeting, yet Perutz also gave him access to Franklin's MRC report data. Crick and Watson then sought permission from Cavendish Laboratory head William Lawrence Bragg, to publish their double helix molecular model of DNA based on data from Franklin and Wilkins. By November 1951, Watson had acquired little training in X ray crystallography, by his own admission, and thus had not fully understood what Franklin was saying about the structural symmetry of the DNA molecule. Crick, however, knowing the Fourier transforms of Bessel functions that represent the X ray diffraction patterns of helical structures of atoms, correctly interpreted further one of Franklin's experimental findings as indicating that DNA was most likely to be a double helix with the two polynucleotide chains running in opposite directions. Crick was thus in a unique position to make this interpretation because he had formerly worked on the X ray diffraction data for other large molecules that had helical symmetry similar to that of DNA. Franklin, on the other hand, rejected the first molecular model building approach proposed by Crick and Watson: the first DNA model, which in 1952 Watson presented to her and to Wilkins in London, had an obviously incorrect structure with hydrated charged groups on the inside of the model, rather than on the outside. Watson explicitly admitted this in his book The Double Helix.

Онлайн версии

Онлайн-версия (оригинальный текст) на сайте nature.com. PDF-копия Национальной медицинской библиотеки из коллекции документов Фрэнсиса Крика. Памятная HTML-версия в журнале Am J Psychiatry, 160:623–624, апрель 2003 года.