Введение

История молекулярной биологии начинается в 1930-х годах с объединения различных, ранее обособленных биологических и физических дисциплин: биохимии, генетики, микробиологии, вирусологии и физики. Стремясь понять жизнь на самом фундаментальном уровне, многочисленные физики и химики также проявили интерес к тому, что впоследствии стало молекулярной биологией. В современном смысле, молекулярная биология стремится объяснить явления жизни, исходя из макромолекулярных свойств, которые их обуславливают. Особое внимание молекулярные биологи уделяют двум категориям макромолекул: 1) нуклеиновым кислотам, среди которых наиболее известна дезоксирибонуклеиновая кислота (или ДНК) – составная часть генов, и 2) белкам, являющимся активными агентами живых организмов. Таким образом, одно из определений области молекулярной биологии заключается в изучении структуры, функции и взаимосвязей между этими двумя типами макромолекул. Этого относительно узкого определения достаточно, чтобы установить дату так называемой "молекулярной революции" или, по крайней мере, хронологию ее важнейших достижений.

Общий обзор

В своих первых проявлениях молекулярная биология – название было придумано Уорреном Уивером из Фонда Рокфеллера в 1938 году – была идеей физических и химических объяснений жизни, а не сложившейся дисциплиной. После появления менделевской хромосомной теории наследственности в 1910-х годах и развития атомной теории и квантовой механики в 1920-х годах, такие объяснения казались достижимыми. Уивер и другие поощряли (и финансировали) исследования на стыке биологии, химии и физики, в то время как выдающиеся физики, такие как Нильс Бор и Эрвин Шрёдингер, обратили внимание на биологические размышления. Однако в 1930-х и 1940-х годах было совершенно неясно, какие – если таковые вообще будут – междисциплинарные исследования дадут результаты; работы в коллоидной химии, биофизике и радиационной биологии, кристаллографии и других развивающихся областях казались перспективными. В 1940 году Джордж Бидл и Эдвард Татум продемонстрировали существование чёткой взаимосвязи между генами и белками. В ходе своих экспериментов, объединяющих генетику с биохимией, они перешли от традиционного генетического объекта Drosophila к более подходящему модельному организму, грибу Neurospora; создание и использование новых модельных организмов стало повторяющейся темой в развитии молекулярной биологии. В 1944 году Освальд Эвери, работавший в Институте Рокфеллера в Нью-Йорке, показал, что гены состоят из ДНК (см. эксперимент Эвери–МакЛеода–Маккарти). В 1952 году Альфред Херши и Марта Чейз подтвердили, что генетический материал бактериофага, вируса, заражающего бактерии, состоит из ДНК (см. эксперимент Херши–Чейза). В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли двойную спиральную структуру молекулы ДНК, основываясь на открытиях Розалинд Франклин. В 1961 году Франсуа Якоб и Жак Моно продемонстрировали, что продукты определённых генов регулируют экспрессию других генов, воздействуя на специфические участки у края этих генов. Они также выдвинули гипотезу о существовании посредника между ДНК и её белковыми продуктами, который они назвали информационной РНК. В период с 1961 по 1965 год была установлена взаимосвязь между информацией, содержащейся в ДНК, и структурой белков: существует код, генетический код, который устанавливает соответствие между последовательностью нуклеотидов в последовательности ДНК и рядом аминокислот в белках. В апреле 2023 года учёные, опираясь на новые данные, пришли к выводу, что Розалинда Франклин была участником и "равноправным игроком" в процессе открытия ДНК, а не иначе, как это могло быть представлено позднее. Основные открытия молекулярной биологии были сделаны всего за двадцать пять лет. Ещё пятнадцать лет потребовалось, чтобы новые и более сложные технологии, объединённые сегодня под названием генной инженерии, позволили изолировать и охарактеризовать гены, в частности гены высокоорганизованных организмов.

Исследование молекулярного доминиона

Если мы оцениваем молекулярную революцию в контексте биологической истории, то легко заметить, что она является кульминацией длительного процесса, начавшегося с первых наблюдений через микроскоп. Целью этих ранних исследователей было понять функционирование живых организмов, описывая их организацию на микроскопическом уровне. С конца XVIII века все большее внимание стало уделяться характеристике химических молекул, составляющих живые существа, что совпало с рождением физиологической химии в XIX веке, развитой немецким химиком Юстусом фон Либихом, и последующим рождением биохимии в начале XX века благодаря другому немецкому химику Эдуарду Бухнеру. Между молекулами, изучаемыми химиками, и крошечными структурами, видимыми под оптическим микроскопом, такими как клеточное ядро или хромосомы, существовала неясная область, названная химиком-физиком Вольфгангом Оствальдом "миром пренебрегаемых измерений". Этот мир населен коллоидами – химическими соединениями, структура и свойства которых были недостаточно определены. Успехи молекулярной биологии стали возможны благодаря исследованию этого неизвестного мира с использованием новых технологий, разработанных химиками и физиками: рентгеновской дифракции, электронной микроскопии, ультрацентрифугирования и электрофореза. Эти исследования раскрыли структуру и функции макромолекул. Знаковой вехой в этом процессе стала работа Линуса Полинга в 1949 году, впервые связавшая конкретную генетическую мутацию у пациентов с серповидноклеточной анемией с установленным изменением в отдельном белке – гемоглобине эритроцитов гетерозиготных или гомозиготных индивидуумов.

Встреча биохимии и генетики

Развитие молекулярной биологии также стало результатом встречи двух дисциплин, которые достигли значительного прогресса в первые тридцать лет двадцатого века: биохимии и генетики. Первая изучает структуру и функции молекул, составляющих живые организмы. В период с 1900 по 1940 год были описаны центральные процессы метаболизма: процесс пищеварения и усвоение питательных элементов, получаемых с пищей, таких как сахара. Каждый из этих процессов катализируется определенным ферментом. Ферменты – это белки, как антитела, присутствующие в крови, или белки, ответственные за сокращение мышц. Следовательно, изучение белков, их структуры и синтеза стало одной из главных задач биохимиков. Вторая дисциплина биологии, развившаяся в начале 20-го века, – это генетика. После повторного открытия законов Менделя в исследованиях Гюго де Вриса, Карла Корренса и Эриха фон Чермака в 1900 году, эта наука начала формироваться благодаря выбору Томасом Хант Морганом в 1910 году модельного организма для генетических исследований – знаменитой плодожорки (Drosophila melanogaster). Вскоре после этого Морган показал, что гены локализованы на хромосомах. После этого открытия он продолжил работу с дрозофилой и, вместе с многочисленными другими исследовательскими группами, подтвердил важность гена в жизни и развитии организмов. Тем не менее, химическая природа генов и механизмы их действия оставались загадкой. Молекулярные биологи посвятили себя определению структуры и описанию сложных взаимосвязей между генами и белками. Развитие молекулярной биологии было не просто результатом некой внутренней «необходимости» в истории идей, а было характерным историческим явлением со всеми его неизвестными, непредсказуемыми и случайными обстоятельствами: замечательные достижения в физике в начале 20-го века подчеркнули относительную отсталость развития биологии, которая стала «новым рубежом» в поиске знаний об эмпирическом мире. Более того, развитие теории информации и кибернетики в 1940-х годах, в ответ на военные требования, принесло в новую биологию значительное количество плодотворных идей и, особенно, метафор. Выбор бактерий и их вирусов, бактериофагов, в качестве моделей для изучения фундаментальных механизмов жизни был почти естественным – они являются самыми маленькими известными живыми организмами – и в то же время результатом индивидуального выбора. Эта модель обязана своим успехом, прежде всего, известности и организованности Макса Дельбрюка, немецкого физика, который смог создать динамичную исследовательскую группу, базирующуюся в Соединенных Штатах, исключительной целью которой было изучение бактериофага: фаговой группы. Фаговая группа была неформальной сетью биологов, которые проводили фундаментальные исследования в основном на бактериофаге T4 и внесли многочисленный и значительный вклад в микробиологическую генетику и истоки молекулярной биологии в середине 20-го века. В 1961 году Сидни Бреннер, один из первых членов фаговой группы, сотрудничал с Фрэнсисом Криком, Лесли Барнетт и Ричардом Уоттсом Тобином в Лаборатории Кавендиша в Кембридже для проведения генетических экспериментов, которые продемонстрировали фундаментальную природу генетического кода для белков. Эти эксперименты, проведенные с мутантами гена rIIB бактериофага T4, показали, что для гена, кодирующего белок, три последовательных основания ДНК гена определяют каждую последовательную аминокислоту белка. Таким образом, генетический код является триплетным кодом, где каждый триплет (называемый кодоном) определяет определенную аминокислоту. Они также обнаружили, что кодоны не перекрываются друг с другом в последовательности ДНК, кодирующей белок, и что такая последовательность считывается с фиксированной начальной точки. В 1962–1964 годах исследователи фага T4 предоставили возможность изучить функцию практически всех генов, необходимых для роста бактериофага в лабораторных условиях. Эти исследования были облегчены открытием двух классов условных летальных мутантов. Один класс таких мутантов известен как янта́рные мутанты. Другой класс условных летальных мутантов называется температурно-чувствительными мутантами. Изучение этих двух классов мутантов привело к значительному углублению понимания многочисленных фундаментальных биологических проблем. Таким образом, было получено понимание функций и взаимодействий белков, используемых в механизме репликации ДНК, репарации ДНК и рекомбинации ДНК. Кроме того, было получено понимание процессов, посредством которых вирусы собираются из белковых и нуклеиновых кислотных компонентов (молекулярная морфогенез). Также была выяснена роль терминальных кодонов. Одно примечательное исследование использовало янта́рные мутанты с дефектом в гене, кодирующем основной белок головки бактериофага T4. Этот эксперимент предоставил веские доказательства широко распространенной, но до 1964 года еще не доказанной, «гипотезы последовательности», согласно которой аминокислотная последовательность белка определяется последовательностью нуклеотидов гена, определяющего белок. Таким образом, это исследование продемонстрировало коллинеарность гена с кодируемым им белком. Географическая картина развития новой биологии была обусловлена прежде всего предшествующей работой. США, где генетика развивалась наиболее быстро, и Великобритания, где существовало сосуществование как генетических, так и биохимических исследований на высоком уровне, были в авангарде. Германия, колыбель революций в физике, с лучшими умами и самыми передовыми лабораториями генетики в мире, должна была играть ведущую роль в развитии молекулярной биологии. Но история решила иначе: приход нацистов в 1933 году – и, в меньшей степени, ужесточение тоталитарных мер в фашистской Италии – привело к эмиграции большого числа ученых, как еврейских, так и нееврейских. Большинство из них бежали в США или Великобританию, что дало дополнительный импульс научному динамизму этих стран. Эти перемещения в конечном итоге сделали молекулярную биологию поистине международной наукой с самого начала.

История биохимии ДНК

Изучение ДНК является центральной частью молекулярной биологии.

Первая изоляция ДНК

В XIX веке биохимики изначально изолировали ДНК и РНК (смешанные вместе) из клеточных ядер. Они довольно быстро осознали полимерную природу своих изолятов "нуклеиновой кислоты", но лишь позже поняли, что нуклеотиды бывают двух типов — один содержит рибозу, а другой — дезоксирибозу. Именно это последующее открытие привело к идентификации и названию ДНК как вещества, отличного от РНК. Фридрих Мишер (1844–1895) обнаружил вещество, которое он назвал "нуклеином" в 1869 году. Позже он выделил чистый образец материала, известного сегодня как ДНК, из спермы лосося, а в 1889 году его ученик Ричард Альтманн назвал его "нуклеиновой кислотой". Это вещество было обнаружено только в хромосомах. В 1919 году Фибус Левен в Институте Рокфеллера идентифицировал компоненты (четыре основания, сахар и фосфатную цепь) и показал, что компоненты ДНК связаны в последовательности фосфат-сахар-основание. Он назвал каждую из этих единиц нуклеотидом и предположил, что молекула ДНК состоит из цепочки нуклеотидных единиц, соединенных друг с другом через фосфатные группы, которые образуют "остов" молекулы. Однако Левен полагал, что цепочка короткая и что основания повторяются в одном и том же фиксированном порядке. Торбьёрн Касперссон и Эйнар Хаммерстен показали, что ДНК является полимером.

Хромосомы и наследственные черты

В 1927 году Николай Колцов предположил, что наследственные признаки передаются посредством "гигантской наследственной молекулы", состоящей из "двух зеркальных нитей, которые реплицируются полуконсервативным способом, используя каждую нить в качестве матрицы". Макс Дельбрюк, Николай Тимофеев-Рессовский и Карл Г. Циммер опубликовали результаты в 1935 году, показывающие, что хромосомы – это очень большие молекулы, структура которых может быть изменена под воздействием рентгеновских лучей, и что таким изменением структуры можно изменить наследственные характеристики, определяемые этими хромосомами. В 1937 году Уильям Астбери получил первые рентгенодифракционные картины ДНК. Ему не удалось предложить правильную структуру, но картины показали, что ДНК имеет регулярную структуру, и, следовательно, можно было бы установить, что это за структура. В 1943 году Освальд Теодор Эйвери и группа ученых обнаружили, что признаки, свойственные "гладкой" форме пневмококка, могут быть переданы "грубой" форме той же бактерии, просто сделав убитую "гладкую" (S) форму доступной для живой "грубой" (R) формы. К совершенно неожиданному удивлению, живые бактерии R Pneumococcus трансформировались в новый штамм формы S, а переданные характеристики S оказались наследственными. Эйвери назвал среду, посредством которой передаются признаки, "преобразующим принципом"; он идентифицировал ДНК как этот преобразующий принцип, а не белок, как считалось ранее. По сути, он повторил эксперимент Фредерика Гриффита. В 1953 году Альфред Херши и Марта Чейз провели эксперимент (эксперимент Херши-Чейза), который показал, что у фага T2 ДНК является генетическим материалом (Херши разделил Нобелевскую премию с Лурией).

Открытие структуры ДНК

В 1950-х годах три группы поставили перед собой цель установить структуру ДНК. Первой начала работу группа в Королевском колледже Лондона под руководством Мориса Уилкинса, к которой позже присоединилась Розалинд Франклин. Другая группа, состоявшая из Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона, работала в Кембридже. Третья группа находилась в Калифорнийском технологическом институте (Калтехе) и возглавлялась Линусом Полингом. Крик и Уотсон строили физические модели, используя металлические стержни и шарики, в которые они включали известные химические структуры нуклеотидов, а также известное расположение связей, соединяющих один нуклеотид с другим вдоль полимерной цепи. В Королевском колледже Морис Уилкинс и Розалинд Франклин изучали рентгенодифракционные картины волокон ДНК. Из трех групп только лондонской удалось получить дифракционные картины хорошего качества и, следовательно, достаточное количество количественных данных о структуре.

Шпиональная структура

В 1948 году Полинг обнаружил, что многие белки содержат спиральные структуры (см. альфа-спираль). Полинг вывел эту структуру, анализируя рентгеновские дифракционные картины и пытаясь физически смоделировать эти структуры. (Позже Паулинг также предложил ошибочную трехцепочечную спиральную структуру ДНК, основываясь на данных Астбери.) Даже в первых данных дифракции ДНК, полученных Морисом Уилкинсом, было очевидно, что структура включает в себя спирали. Но это было лишь началом. Оставались вопросы о количестве цепей, образующих структуру, о том, одинаково ли это число для каждой спирали, направлены ли основания к оси спирали или от нее, и, в конечном итоге, каковы точные углы и координаты всех связей и атомов. Эти вопросы и послужили стимулом для создания моделей Уотсоном и Криком.

Дополнительные нуклеотиды

В своих моделях Уотсон и Крик ограничивались тем, что считали химически и биологически обоснованным. Тем не менее, спектр возможностей был весьма широк. Прорыв произошел в 1952 году, когда Эрвин Чаргафф посетил Кембридж и вдохновил Крика описанием экспериментов, опубликованных Чаргаффом в 1947 году. Чаргафф заметил, что пропорции четырех нуклеотидов варьируются от одного образца ДНК к другому, но для определенных пар нуклеотидов – аденина и тимина, гуанина и цитозина – эти два нуклеотида всегда присутствуют в равных количествах. Используя рентгеноструктурный анализ, а также другие данные, полученные от Розалинд Франклин, и ее информацию о том, что основания спарены, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик в 1953 году создали первую точную модель молекулярной структуры ДНК, которая была одобрена Розалинд Франклин. Об открытии было объявлено 28 февраля 1953 года, а первая статья Уотсона и Крика появилась в журнале Nature 25 апреля 1953 года. Сэр Лоуренс Брэгг, директор лаборатории Кавендиша, где работали Уотсон и Крик, выступил с докладом в медицинском колледже Guy's Hospital в Лондоне в четверг, 14 мая 1953 года, что привело к публикации в лондонской газете News Chronicle в пятницу, 15 мая 1953 года, статьи Ричи Калдера под названием «Почему вы – это вы. Ближе к тайне жизни». На следующий день новость дошла до читателей The New York Times; Виктор К. МакЭленни, работая над своей биографией «Уотсон и ДНК: создание научной революции», обнаружил вырезку из шести абзацев статьи New York Times, написанной из Лондона и датированной 16 мая 1953 года, с заголовком «Форма «единицы жизни» в клетке изучена». Статья вышла в раннем издании, но затем была отозвана, чтобы освободить место для новостей, которые считались более важными. (Позднее, 12 июня 1953 года, в The New York Times была опубликована более подробная статья). Студенческая газета Кембриджского университета также опубликовала свою короткую статью об открытии в субботу, 30 мая 1953 года. Первоначальное объявление Брэгга на конференции по белкам в Бельгии 8 апреля 1953 года осталось без внимания прессы. В 1962 году Уотсон, Крик и Морис Уилкинс совместно получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за установление структуры ДНК.

"Центральная догма"

Модель Уотсона и Крика вызвала огромный интерес сразу после представления. Придя к своим выводам 21 февраля 1953 года, Уотсон и Крик сделали первое объявление 28 февраля. В своей влиятельной презентации 1957 года Крик сформулировал "центральную догму молекулярной биологии", предсказавшую взаимосвязь между ДНК, РНК и белками, и изложил "гипотезу последовательности". Решающее подтверждение механизма репликации, вытекающего из структуры двойной спирали, последовало в 1958 году в виде эксперимента Меселсона — Сталя. Работы Крика и его коллег показали, что генетический код основан на неперекрывающихся триплетах оснований, называемых кодонами, а Хар Гобинд Хорана и другие вскоре после этого (1966) расшифровали генетический код. Эти открытия знаменуют рождение молекулярной биологии.

Доистория: спиральная структура РНК

Самые ранние работы в области структурной биологии РНК совпали, в большей или меньшей степени, с исследованиями ДНК, проводимыми в начале 1950-х годов. В своей основополагающей статье 1953 года Уотсон и Крик предположили, что стерические затруднения, вызванные группой 2’OH рибозы, не позволят РНК принять двойную спиральную структуру, идентичную предложенной ими модели – той, что теперь известна как ДНК формы B. Это породило вопросы о трехмерной структуре РНК: способна ли эта молекула формировать какой-либо тип спиральной структуры, и если да, то каким образом? Как и в случае с ДНК, ранние структурные исследования РНК были сосредоточены на выделении нативных полимеров РНК для анализа дифракции на волокнах. Отчасти из-за неоднородности исследуемых образцов, ранние дифракционные картины на волокнах обычно были неоднозначными и трудно интерпретируемыми. В 1955 году Марианна Грунберг-Манаго и ее коллеги опубликовали статью, описывающую фермент полинуклеотидфосфорилазу, который расщепляет фосфатную группу из нуклеотидных дифосфатов, катализируя их полимеризацию. Это открытие позволило исследователям синтезировать однородные нуклеотидные полимеры, которые затем объединялись для получения двухцепочечных молекул. Эти образцы дали наиболее легко интерпретируемые дифракционные картины на волокнах, полученные к тому времени, указывая на упорядоченную спиральную структуру комплементарной двухцепочечной РНК, отличающуюся от структуры ДНК. Эти результаты подготовили почву для серии исследований различных свойств и предрасположенностей РНК. В конце 1950-х и начале 1960-х годов было опубликовано множество работ по различным аспектам структуры РНК, включая гибридизацию РНК-ДНК, трехцепочечную РНК и даже мелкомасштабную кристаллографию РНК-динуклеотидов G-C и A-U в примитивных спиральных конфигурациях. Более подробный обзор ранних работ в области структурной биологии РНК можно найти в статье Александра Рича «Эра пробуждения РНК: структурная биология РНК в первые годы».

Начало: кристаллическая структура tRNAPHE

В середине 1960-х годов роль тРНК в синтезе белка интенсивно изучалась. К этому моменту рибосомы были связаны с синтезом белка, и было показано, что для формирования этих структур необходима цепь мРНК. В публикации 1964 года Уорнер и Рич показали, что рибосомы, активные в синтезе белка, содержат молекулы тРНК, связанные в А- и Р-сайтах, и предположили, что эти молекулы способствуют реакции пептидилтрансферазы. Однако, несмотря на значительную биохимическую характеристику, структурная основа функции тРНК оставалась неразгаданной. В 1965 году Холли и соавторы очистили и секвенировали первую молекулу тРНК, первоначально предположив, что она принимает клеверолистную структуру, основываясь главным образом на способности определенных участков молекулы формировать шпильки. Изоляция тРНК стала первым крупным успехом в структурной биологии РНК. После публикации Роберта В. Холли многочисленные исследователи приступили к работе по выделению тРНК для кристаллографических исследований, разрабатывая усовершенствованные методы выделения молекулы в процессе работы. К 1968 году несколько групп получили кристаллы тРНК, но они оказались недостаточно качественными и не давали данных с разрешением, необходимым для определения структуры. В 1971 году Ким и соавторы добились нового прорыва, получив кристаллы дрожжевой tRNAPHE, которые диффрагировали с разрешением 2–3 Ангстрема благодаря использованию спермина – природного полиамина, который связывался и стабилизировал тРНК. Однако, несмотря на наличие подходящих кристаллов, структура tRNAPHE не была сразу же решена с высоким разрешением; потребовалась новаторская работа с использованием производных тяжелых металлов и значительное время для получения высококачественной электронной плотности всей молекулы. В 1973 году Ким и соавторы создали карту молекулы тРНК с разрешением 4 Ангстрема, на которой они смогли однозначно проследить весь ее каркас. За этим решением последовало множество других, поскольку различные исследователи работали над уточнением структуры, более детальным изучением взаимодействий между основаниями и укладки, а также подтверждением опубликованной архитектуры молекулы. Структура tRNAPHE является важной вехой в области структуры нуклеиновых кислот в целом, поскольку она представляла собой первое решение структуры длинноцепочечной нуклеиновой кислоты любого типа – РНК или ДНК – предшествовавшее решению Ричарда Дикерсона о додекамере формы B почти на десятилетие. Кроме того, tRNAPHE продемонстрировал многие третичные взаимодействия, наблюдаемые в архитектуре РНК, которые не были классифицированы и более глубоко поняты в течение многих последующих лет, заложив основу для всех будущих исследований структуры РНК.

Возрождение: рибозим "молотная голова" и интроны группы I: P4-6

В течение значительного времени после определения первых структур тРНК, область изучения структуры РНК не претерпела существенных изменений. Возможность исследовать структуру РНК зависела от потенциала изолировать РНК-мишень. Это оказалось ограничивающим фактором для области исследований на протяжении многих лет, отчасти из-за значительной сложности изоляции и кристаллизации других известных мишеней – например, рибосомы. Кроме того, поскольку другие интересные РНК-мишени либо не были идентифицированы, либо недостаточно изучены, чтобы считаться перспективными, попросту не хватало объектов для структурного анализа. Таким образом, в течение примерно двадцати лет после первоначальной публикации структуры tRNAPHE были определены структуры лишь нескольких других РНК-мишеней, и почти все они принадлежали к семейству транспортных РНК. Это неблагоприятное ограничение в конечном итоге было преодолено благодаря двум основным достижениям в исследовании нуклеиновых кислот: идентификации рибозимов и возможности их получения посредством in vitro транскрипции. После публикации Тома Чеха, демонстрирующей автокаталитическую активность интрона группы I *Tetrahymena*, и сообщения Сидни Альтмана о катализе рибонуклеазой P РНК, в конце 1980-х годов было идентифицировано несколько других каталитических РНК, включая рибозим «молоток». В 1994 году McKay и соавторы опубликовали структуру комплекса «ингибитора рибозима РНК-ДНК «молоток» с разрешением 2,6 Ангстрем, в котором автокаталитическая активность рибозима была подавлена за счет связывания с ДНК-субстратом. Конформация рибозима, представленная в этой работе, впоследствии оказалась одним из нескольких возможных состояний, и хотя данный образец был каталитически неактивным, последующие исследования выявили архитектуру его активного состояния. За этой структурой последовала публикация Дженнифер Дудна структуры доменов P4 и P6 интрона группы I *Tetrahymena*, фрагмента рибозима, первоначально прославившегося благодаря работам Чеха. Вторая часть названия этой публикации – «Принципы упаковки РНК» – лаконично отражает ценность этих двух структур: впервые стало возможным сравнение хорошо изученных структур тРНК со структурами глобулярных РНК, не относящихся к семейству транспортных РНК. Это позволило создать основу для классификации третичной структуры РНК. Теперь стало возможным предположить консервацию мотивов, фолдингов и различных локальных стабилизирующих взаимодействий. Для раннего обзора этих структур и их последствий см. статью Дудна и Ферре Д’Амаре «Складки РНК: новые данные из рентгеноструктурного анализа». Помимо прогресса в определении глобальной структуры с помощью рентгеноструктурного анализа, в начале 1990-х годов ядерный магнитный резонанс (ЯМР) также был внедрен в качестве мощного метода в структурной биологии РНК. Параллельно с определением крупномасштабных структур рибозимов методом рентгеноструктурного анализа, с помощью ЯМР были определены структуры ряда малых РНК и комплексов РНК с лекарственными препаратами и пептидами. Кроме того, ЯМР стал использоваться для исследования и дополнения рентгеноструктурных данных, что иллюстрируется определением структуры изолированного мотива рецептора тетралупа, опубликованной в 1997 году. Исследования, подобные этому, позволили более точно охарактеризовать взаимодействие между комплементарными основаниями и укладку оснований, которые стабилизируют глобальные фолдинги крупных молекул РНК. Важность понимания третичных структурных мотивов РНК была пророчески подчеркнута Мишелем и Коста в их публикации, посвященной идентификации мотива тетралупа: «не должно удивлять, если самосворачивающиеся молекулы РНК будут интенсивно использовать лишь относительно небольшой набор третичных мотивов. Определение этих мотивов значительно облегчит задачи моделирования, которые останутся важными до тех пор, пока кристаллизация больших РНК остается сложной задачей».

Современная эра: эра структурной биологии РНК

Возрождение структурной биологии РНК в середине 1990-х годов привело к настоящему взрыву в области структурных исследований нуклеиновых кислот. С момента публикации структур «молотковой головки» (hammerhead) и P4-6 в этой области было сделано множество значительных вкладов. Среди наиболее заметных примеров – структуры интронов I и II групп, а также рибосомы, определенная Ненадом Баном и его коллегами в лаборатории Томаса Штайца. Первые три структуры были получены с использованием in vitro транскрипции, а тот факт, что ЯМР-спектроскопия сыграла роль в изучении частичных компонентов всех четырех структур, свидетельствует о незаменимости обоих методов для исследований РНК. Совсем недавно Нобелевская премия по химии 2009 года была присуждена Аде Йонат, Венкатраману Рамакришнану и Томасу Штайцу за их структурные работы над рибосомой, что демонстрирует выдающуюся роль, которую структурная биология РНК играет в современной молекулярной биологии.

Первая изоляция и классификация

В XVIII веке Антуан Фуркрой и другие ученые выделили белки в отдельный класс биологических молекул. Члены этого класса (называемые "альбуминоидами", Eiweisskörper или matières albuminoides) определялись по их способности коагулировать или флокулировать под воздействием различных факторов, таких как нагревание или кислота; хорошо известные примеры в начале XIX века включали альбумин из яичного белка, альбумин сыворотки крови, фибрин и пшеничный глютен. Сходство между варкой яичного белка и створаживанием молока было замечено еще в древности; например, Плиний Старший предложил название "альбумен" для белка яичного белка, происходящее от латинского albus ovi (яичный белок). По совету Йенса Якоба Берцелиуса, голландский химик Герхард Йоханнес Малдер провел элементарный анализ распространенных животных и растительных белков. К всеобщему удивлению, все белки имели практически одинаковую эмпирическую формулу, приблизительно C400H620N100O120, с отдельными атомами серы и фосфора. Малдер опубликовал свои результаты в двух работах (1837, 1838) и выдвинул гипотезу о существовании единого базового вещества (Grundstoff) белков, которое синтезируется растениями и усваивается животными в процессе пищеварения. Берцелиус был одним из первых сторонников этой теории и предложил название "протеин" для этого вещества в письме от 10 июля 1838 года. Название "протеин", которое он предложил для органического оксида фибрина и альбумина, я хотел вывести из [греческого слова] πρωτειος, поскольку оно представляется первоначальным или главным веществом питания животных. Малдер продолжил идентифицировать продукты распада белков, такие как аминокислота лейцин, для которой он определил (почти верную) молекулярную массу 131 Да.

Очистка и измерение массы

Минимальная молекулярная масса, установленная анализами Малдера, составляла примерно 9 кДа, что в сотни раз превышало молекулярную массу других изучаемых молекул. Таким образом, химическая структура белков (их первичная структура) оставалась активной областью исследований вплоть до 1949 года, когда Фред Сэнгер определил последовательность аминокислот в инсулине. (Верная) теория о том, что белки являются линейными полимерами аминокислот, соединенных пептидными связями, была независимо и одновременно предложена Францем Хофмейстером и Эмилем Фишером на одной и той же конференции в 1902 году. Однако некоторые ученые сомневались в стабильности таких длинных макромолекул в растворе. В результате было предложено множество альтернативных теорий первичной структуры белка, например, коллоидная гипотеза, согласно которой белки представляют собой агрегаты малых молекул, циклольная гипотеза Дороти Вринч, дикетопиперазиновая гипотеза Эмиля Абдерхальдена и гипотеза пиррола/пиперидина Тронсгарда (1942). Большинство этих теорий испытывали трудности с объяснением того факта, что расщепление белков дает пептиды и аминокислоты. Теодор Сведберг с помощью аналитической ультрацентрифуги окончательно показал, что белки являются макромолекулами с четко определенным составом (а не коллоидными смесями). Возможность того, что некоторые белки представляют собой нековалентные ассоциации таких макромолекул, была продемонстрирована Гилбертом Смитсоном Адаиром (путем измерения осмотического давления гемоглобина) и позднее Фредериком М. Ричардсом в его исследованиях рибонуклеазы S. Масс-спектрометрия белков долгое время являлась полезным методом для идентификации посттрансляционных модификаций и, в последнее время, для изучения структуры белка. Большинство белков трудно очистить в количествах, превышающих миллиграмм, даже с использованием самых современных методов. Поэтому ранние исследования были сосредоточены на белках, которые можно было очистить в больших количествах, например, белках крови, яичного белка, различных токсинах и пищеварительных/метаболических ферментах, полученных на скотобойнях. Многие методы очистки белков были разработаны во время Второй мировой войны в рамках проекта под руководством Эдвина Джозефа Кона для очистки белков крови с целью спасения жизней солдат. В конце 1950-х годов компания Armour Hot Dog Co. очистила 1 кг (= один миллион миллиграммов) чистой рибонуклеазы A панкреаса крупного рогатого скота и сделала ее доступной ученым по всему миру по низкой цене. Этот щедрый жест сделал RNase A основным белком для фундаментальных исследований на протяжении нескольких десятилетий, что привело к присуждению нескольких Нобелевских премий.

Складка белка и первые структурные модели

Изучение свертывания белка началось в 1910 году с известной работы Харриетт Чик и Си Джей Мартина, в которой они показали, что флокуляция белка состоит из двух различных процессов: осаждению белка из раствора предшествовал другой процесс, называемый денатурацией, в котором белок становился гораздо менее растворимым, терял свою ферментативную активность и становился более химически реактивным. В середине 1920-х годов Тим Ансон и Альфред Мирски предположили, что денатурация является обратимым процессом, верной гипотезой, которая первоначально была высмеяна некоторыми учеными как «возвращение яйцу исходной формы». Ансон также предположил, что денатурация представляет собой процесс двух состояний («все или ничего»), в котором один фундаментальный молекулярный переход приводит к резким изменениям растворимости, ферментативной активности и химической реактивности; он также отметил, что изменения свободной энергии при денатурации были намного меньше, чем те, которые обычно вовлечены в химических реакциях. В 1929 году Сянь Ву выдвинул гипотезу, что денатурация – это разворачивание белка, чисто конформационное изменение, приводящее к экспонированию боковых цепей аминокислот к растворителю. Согласно этой (верной) гипотезе, экспонирование алифатических и реактивных боковых цепей к растворителю делало белок менее растворимым и более реактивным, в то время как потеря специфической конформации вызывала потерю ферментативной активности. Хотя гипотеза Ву считалась правдоподобной, она не была сразу принята, поскольку было мало известно о структуре белка и энзимологии, и другие факторы могли объяснить изменения растворимости, ферментативной активности и химической реактивности. В начале 1960-х годов Крис Анфинсен показал, что свертывание рибонуклеазы А полностью обратимо без необходимости внешних кофакторов, подтвердив «термодинамическую гипотезу» о свертывании белка, согласно которой свернутое состояние представляет собой глобальный минимум свободной энергии для белка. За гипотезой о свертывании белка последовали исследования физических взаимодействий, которые стабилизируют свернутые белковые структуры. Ключевую роль гидрофобных взаимодействий выдвинули Дороти Ринч и Ирвинг Лангмюр как механизм, который может стабилизировать ее циклольные структуры. Хотя эта (верная) гипотеза поддерживалась Дж. Д. Берналом и другими, она была отвергнута вместе с гипотезой циклолов, которая была опровергнута в 1930-х годах Линусом Полингом (и другими). Вместо этого Полинг отстаивал идею о том, что структура белка стабилизируется главным образом водородными связями, идею, первоначально предложенную Уильямом Астбери (1933). Примечательно, что неверная теория Полинга о водородных связях привела к его верным моделям вторичных структурных элементов белков, альфа-спирали и бета-листа. Гидрофобное взаимодействие было восстановлено в его должном значении в знаменитой статье 1959 года Уолтера Кауцманна о денатурации, частично основанной на работе Кая Линдерстрёма Ланга. Ионная природа белков была продемонстрирована Бьеррумом, Вебером и Арне Тизелиусом, но Линдерстрём Ланг показал, что заряды обычно доступны для растворителя и не связаны друг с другом (1949). Вторичная и низкоразрешающая третичная структура глобулярных белков исследовалась изначально гидродинамическими методами, такими как аналитическая ультрацентрифугация и поток бирефракции. Спектроскопические методы для изучения структуры белка (такие как круговой дихроизм, флуоресценция, поглощение в ближней ультрафиолетовой и инфракрасной областях) были разработаны в 1950-х годах. Первые структуры белков с атомным разрешением были определены с помощью рентгеновской кристаллографии в 1960-х годах и ЯМР в 1980-х годах. По состоянию на 2019 год в базе данных белков содержится более 150 000 структур белков с атомным разрешением. В последнее время криоэлектронная микроскопия крупных макромолекулярных комплексов достигла атомного разрешения, а вычислительное предсказание структуры белка небольших белковых доменов приближается к атомному разрешению.