CC BY
65
ИСТОРИЯ БИОМЕДИЦИНЫ
К 40-ЛЕТИЮ ОТКРЫТИЯ ОБРАТНОЙ ТРАНСКРИПТАЗЫ
Фермент, разрушивший "центральную догму " молекулярной биологии
В этом году исполняется pовно 40 лет с тех поp когда впеpвые был обнаpужен феpмент, названный "обратной тpанскpиптазой". С этого откpытия, пpинесшего его автоpам Hобелевские пpемии, началось пеpеосмысление пpежних пpедставлений о механизмах наследственности и идеологическое пеpевооpужение не только биохимии и молекуляpной генетики, но и всей биологии, в целом.
Истоpию о том, как был откpыт этот феpмент можно было бы начать с откpытия Дж.Рауса, котоpый pовно 100 лет назад открыл виpус куpиной саpкомы (Биомедицина, 2003, N.2). Но, учитывая лимиты текста по объему, мы начнем свой очеpк с 1944 г, когда группа амеpиканских бактеpиологов Освальд Эйвери, Колин Мак-Леод и Маклин Мак-Карти сумели доказать, что роль материального носителя наследственности у бактеpий играет ДНК (Биомедицина, 2003, N.1).
В 1952 г бактериологи из ныне всемирно известной лаборатории Колд-Спринг-Харбор, расположенной близ Нью-Йорка, Альфред Херши и Марта Чейз используя меченые изотопами серы и фосфора белок и ДНК показали, что заражение бактерии фагом происходит исключительно за счет проникновения в нее фаговой ДНК. В том же году американцы Дж.Ледер-берг и Н.Циндер установили, что фаг способен переносить часть хромосомы одной бактерии в другую и, изменять, при этом, наследственные свойства последней.
А поскольку именно ДНК составляла химическую основу хроматина - главного структурного компонента клеточных хромосом, было не трудно предположить, что аналогичную роль ДНК может играть у многоклеточных растений и животных.
В начале 50-х гг Б.В.Кедровский, Жан Браше, а также Торбьерн Касперсон предположили, что информация заключенная в ДНК реализуется в процессе синтеза белка, причем роль "посредника" между ДНК и белком играет РНК. Иначе говоря, согласно мнению этих ученых, вошедшему в историю науки как "гипотеза Кедровского-Браше-Касперсона", наследственная информация реализуется по цепочке "ДНК -- РНК -белок".
Вскоре были получены доказательства обоснованности этой гипотезы и она надолго обрела статус
"центральной (или основной) догмы" молекулярной биологии. При этом, РНК отводилась роль лишь "мес-сенджера" (переносчика) генетической информации.
После раскрытия механизмов биосинтеза белка выяснилось, что этот процесс протекает в две последовательные стадии.
Первая из этих стадий, на которой информация о структуре синтезируемого белка "переписывалась" с молекулы ДНК на молекулу РНК, получила название "транскрипции", а уже открытый фермент, катализирующий этот процесс и по существу являвшийся ДНК-зависимой-РНК-полимеразой, был назван "транскриптазой".
Вторую стадию реализации генетической информации назвали "трансляцией", понимая под ней происходящий на рибосомах синтез белка на матрице молекулы РНК, являющейся "зеркальной" копией ДНК и именуемой информационной); после установления роли низко молекулярной и названной "транспортной" РНК, как переносчика аминокислот к рибосом, ее назвали вторичным мессенждером, в отличие от информационной РНК, получившей название "первичного месенджера".
Однако уже в 1956-1957 гг Альфред Гирер и Герхард Шрамм из института Макса Планка в Тюбингене и независимо от них Хейнц Френкель-Конрат из университета Беркли (Калифорния) доказали, что у вируса табачной мозаики носителем генетической информации является РНК, что не укладывалось в рамки центральной догмы молекулярной биологии и стало первым противоречашим ей фактом.
Вскоре были открыты и другие вирусы, не содержащие ДНК, что вынуждало признать возможность выполнения молекулой РНК функции основного носителя генетической информации, по крайней мере, у вирусов. Это означало, что в процессе репродукции РНК-содержащих вирусов перенос генетической информации происходит по цепочке "РНК -РНК -- белок" - очевидно, что допустив такую возможность, придется расширить границы "центральной догмы".
Тем временем было доказано, что некоторые вирусы способны индуцировать не только появление опухолей in vivo, но и трансформацию клеток in vitro. Однако идентифицировать эти вирусы в опухолевых
клетках с помощью виpусологических методов, как давило, не удавалось, что указывало на способность вкусов каким-то обpазом "маскироваться" в этих клетках.
Для объяснения этого феномена в 1960 г американец Ренато Дульбекко и в 1961 г Л.А.Зильбеp предположили, что в основе такой "маскировки" вируса в клетке лежит интегpация ДНК виpуса с клеточной ДHК, в аналогии с тем, как это пpоисходит в лизоген-ной фаговой инфекции бактеpий (Биомедицина, 2007, N.4).
В 1961 г амеpиканец Говаpд Темин pазpаботал теоpию "провируса", полагая, что ДНК виpуса, попав в клетку, остается в ней либо в виде интеграта, став частью генома клетки, либо в виде автономной плаз-миды и длительно существует в клетке в фоpме так называемого ДHК-пpовиpуса. Последний может ничем не проявлять свое присутствие в геноме до момента ее активации, приводящей, в итоге, к транс-фоpмации клетки.
В том же году были получены пеpвые доказательства обоснованности этих гипотез. Так, Джоpдж Уэст-фаль, совместно с Р. Дульбекко, использовав метод гибpидизации ДНК, показали, что в составе генома тpансфоpмиpованной под воздействием вируса SV-40 клетки действительно имеются участки вирусного генома. Этот факт объяснил как ДНК-содержащие онко-генные вирусы, оставаясь "замаскированными" в клетки, реализують свой опухолеродный потенциал.
Однако большинство, известных в то время онко-генных вирусов и, в том числе, вирус Рауса, относилось к РНК-содержащим и объединялись в группу "онкорнавирусов"(от onco - опухоль; RNA - РНК) и, придерживаясь "центральной догмы", объяснить механизм их трансформирующего действия с позиций концепции интеграции было невозможно. И не удивительно, что складывающаяся тогда ситуация позволяла усомниться в абсолютности постулируемой "центральной догмой" однонаправленности потока генетической информации.
В связи с этим, в 1964 г Г. Темин, развивая теорию "провируса", высказал предположение, что у РНК-со-держащих вирусов, вопреки "центральной догме", первоначально на матрице геномной (вирусной) РНК в клетке синтезируется ее ДНК-копия, которая и ин-
тегрируется с ДНК клетки. Эта гипотеза тогда была встречена достаточно скептично и, прежде всего, из-за того, что она противоречила "центральной догме молекулярной биологии".
Однако всего через 5 лет реальность возможности переноса генетической информации от РНК к ДНК была доказана - уже в 1970 г Г.Темин и независимо от него Дэвид Балтимор, микробиолог из Кембриджа, обнаружили особый фермент, катализирующий синтез ДНК на матрице РНК - РНК-зависимую-ДНК-по-лимеразу. Темин назвал этот фермент "обратной транскриптазой".
В том же году американцы Сол Спигелман и Роберт Галло обнаружили такой фермент у целого ряда РНК-содержащих онкогенных вирусов. Вскоре было показано, что практически все РНК-содержащие он-корнавирусы обладали собственной обратной транскриптазой, а эксперты Международного комитета по таксономии вирусов предложили эти вирусы назвать "ретровирусами" (от лат. retro - назад).
Открытие обратной транскриптазы имело исключительно важное значение для всей биологии. В частности, оно позволило объяснить механизм не только интеграции РНК-содержащих онкогенных вирусов, но и развития персистентных и латентных инфекций, вызванных РНК-содержащими вирусами.
Кроме того, поколебав основы "центральной догмы молекулярной биологии", существование обратной транскриптазы, называемой также "ревертазой", показало, что предусмотренные природой механизмы эволюции и участия в них вирусов, гораздо сложнее и многообразнее, чем это предполагалось прежде. Так, выяснилось, что обратная транскриптаза имеется и у некоторых ДНК-содержащих вирусов, как например у вируса гепатита В и других гепаднавирусов - позднее такие вирусы даже назвали "ретроидными".
Именно поэтому, авторы этого открытия, Г.Темин и Д.Балтимор, вместе с Р.Дульбекко, уже в 1975 г были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине, а процессы обратной транскрипции сегодня рассматриваются как один из обычных феноменов жизни.
С.М.Рубинчик Университет Кингстоун, г.Лондон
