Почему мы умираем: Передовая наука о старении и поиск бессмертия - Венки Рамакришнан

они растили четверых детей и совершали походы в горы в окрестностях Ок-Риджа в поисках окаменелостей, пока лет через пятнадцать не перебрались в другую национальную лабораторию, в Брукхейвене на Лонг-Айленде.

Именно там я впервые встретился с ними в 1982 г. Меня пригласили работать в лаборатории, которой в то время заведовал Дик Сетлоу. Возможно, мне помогло отчаянное стремление покинуть Ок-Ридж после всего лишь пятнадцати месяцев, проведенных там: обещанные мне ресурсы так и не были предоставлены. Дик, который и сам перевелся оттуда, отнесся к моему маневру с пониманием. Хотя супругам Сетлоу было тогда всего лишь около 60 лет, мне, в мои 31 год, они казались доисторическими ископаемыми вроде тех, которые они коллекционировали. Как и некоторые более традиционные молекулярные биологи, я сильно недооценивал важность их работы и жалею теперь, что, имея такую возможность, не поговорил с ними об их открытиях. Для меня это еще одно напоминание о том, насколько зашорены большинство ученых, которые почти не интересуются тем, что происходит за пределами их узкой области интересов.

Еще до открытия рентгеновских лучей нам были знакомы и другие виды излучения. В 1877 г. британские ученые Артур Даунз и Томас Блант обнаружили, что солнечные лучи могут убивать бактерии[85]. В начале двадцатого столетия Фредерик Гейтс доказал, что такое воздействие оказывает коротковолновая составляющая солнечного света – ультрафиолетовое излучение. А вскоре после того, как Мёллер продемонстрировал, что рентгеновские лучи могут вызывать генетические мутации, ученые начали также изучать ультрафиолет: в конце концов, его легче получить и не так опасно иметь с ним дело. Они обнаружили, что при равных дозах ультрафиолетовое излучение вызывает даже больше мутаций. Свою научную деятельность в лаборатории в Ок-Ридже Дик и Джейн начали с того, что попытались выяснить, как именно УФ-излучение вызывает мутации в ДНК. Одним из открытий, вызвавших у них особый интерес, было то, что ультрафиолетовое излучение вызывает объединение двух соседствующих тиминов (T-оснований) в цепочке ДНК. Практически в любой последовательности ДНК иногда встречаются два рядом расположенных тимина, и под воздействием УФ-излучения они каким-то образом сливаются воедино, так что два отдельных основания начинают работать как одно целое, но состоящее из двух строительных блоков, которое называют тиминовым димером, или, иногда, тимидиновым димером, если имеется в виду более крупный элемент, включающий также и сахар, к которому присоединен тимин. Может быть, именно таким способом ультрафиолетовое излучение инактивирует ДНК и убивает бактерии?

В ходе экспериментов супруги Сетлоу внедряли в бактерию чужеродную ДНК. Тем самым ученые могли вносить в бактерию ген, придававший ей новые особенности, такие как способность расти, не получая питательных веществ, которые обычно ей необходимы, или устойчивость к антибиотикам. Однако, когда они попытались[86] вводить ДНК, содержащую тиминовые димеры, то создавалось впечатление, что она неактивна. В дальнейшем Дику удалось доказать, что димеры препятствуют копированию ДНК и поэтому новая ДНК не может быть синтезирована.

Следующий эксперимент оказался еще более примечательным. Дик и его коллеги обнаружили[87], что вскоре после облучения ультрафиолетом тиминовые димеры полностью исчезали из ДНК. Эти димеры, включая комплекс из остатка фосфорной кислоты и моносахарида, к которому присоединено основание, вырезались, а недостающий участок достраивался, как при копировании ДНК, с использованием второй нити в качестве матрицы. Научные открытия не совершаются в вакууме. В определенный момент накопленные знания достигают такого уровня, когда становятся возможными дальнейшие достижения, поэтому новые прорывы нередко совершаются учеными одновременно. В том же 1964 г.[88], когда Сетлоу сообщил о своем открытии, к тем же выводам пришли и две другие исследовательские группы, под руководством Пола Ховарда-Фландерса и Филипа Хэнеуолта. Все полученные данные подтверждали, что у клетки, очевидно, есть механизм, позволяющий не только распознавать тиминовые димеры, но и исправлять этот дефект с помощью процесса так называемой эксцизионной репарации.

Эксцизионная репарация была обнаружена и в другом случае. Еще в 1940-е гг. ученые поняли, что можно обратить вспять последствия облучения бактерий ультрафиолетом, подвергая их воздействию видимого света. После этого бактерии, рост которых был подавлен, вновь начинали размножаться. Экстракты из бактерий, облученных видимым светом, могут восстанавливать поврежденную ДНК. Какой процесс лежал в основе этого, оставалось загадкой[89], пока к поискам не подключился Азиз Санджар, турецкий врач и ученый, выявивший механизм репарации тиминовых димеров, в котором задействован другой фермент. Как ни странно, у бактерии Haemophilus influenzae, у которой Дик Сетлоу обнаружил тот же вид репарации, этот механизм отсутствует (как и у человека), а иначе Сетлоу мог бы и не сделать своего открытия, о котором мы говорили выше. И уже само то, что природа изобрела два совершенно разных способа устранять тимидиновые димеры, показывает, насколько важна репарация ДНК.

Результаты этих экспериментов убедительно доказали, что клетка способна восстанавливать поврежденную ДНК. Но нам самим редко приходится подвергаться воздействию интенсивного рентгеновского излучения. Одежда и пигмент меланин в коже защищают нас от избытка ультрафиолета. И мы достаточно осведомлены, чтобы держаться подальше от иприта, битума и других вредных веществ, с которыми человек никогда не сталкивался в дикой природе в доисторические времена. Тем не менее эти механизмы восстановления поврежденной ДНК развились в ходе эволюции миллиарды лет назад и присущи любой форме жизни.

Оказалось, что даже в обычной жизни, когда мы не имеем дела с радиацией и опасными химикатами, наша ДНК постоянно подвергается вредным воздействиям. Человеком, который больше, чем кто-либо другой, сделал для того, чтобы мы это поняли, был шведский ученый Томас Линдал. Будучи научным сотрудником в Принстонском университете, он исследовал относительно небольшую молекулу РНК, и, к его досаде, эта молекула постоянно разрушалась.

Как мы уже говорили, сахар в молекуле РНК представлен рибозой, а не дезоксирибозой, как в ДНК. От дезоксирибозы рибоза отличается наличием одного дополнительного атома кислорода. Этот атом делает РНК гораздо более нестабильной, но зато позволяет ей формировать сложные трехмерные структуры, способные участвовать в особых химических реакциях. Именно эти ее свойства дают ученым основания полагать, что при зарождении жизни в первичном бульоне именно РНК запускала химические реакции и несла генетическую информацию. Так как жизнь эволюционировала, приобретая более сложные формы, столь нестабильная молекула уже не годилась для хранения все более крупных геномов, поэтому для хранения генетической информации стала использоваться более стабильная ДНК.

Линдал знал, что ДНК стабильнее, чем РНК, но хотел выяснить насколько. Она должна быть достаточно стабильной, чтобы передавать информацию без заметных искажений следующему поколению – через клетки зародышевой линии или пройдя через миллиарды клеточных делений, необходимых для того, чтобы из одной клетки вырос целый зрелый организм. Это весьма продолжительный срок[90].

Изучая ДНК в разных условиях, Линдал выяснил, что с течением времени некоторые основания у них менялись. Самым распространенным изменением оказалось превращение цитозина (C) в другое основание, урацил (U), которое обычно присутствует в РНК (напомним, что U в РНК находится на том месте, где в ДНК стоит Т, тимин). Проблема состоит в том, что, как и T, U образует комплементарные пары с аденином (A), как C – с G. И превращение С в U – все равно что замена буквы в предложении-ДНК. Если в геноме произойдет много таких замен, то закодированные в нем инструкции в какой-то момент лишатся смысла.

Линдал также обнаружил, что замену C на U может вызвать всего лишь контакт с водой – самая обычная ситуация для всех биомолекул в клетке. За один день вода может вызвать около 10 000 изменений в ДНК в каждой из клеток организма. Позже Линдал подсчитал[91], что, с учетом всех форм спонтанного повреждения, в ДНК каждой из клеток нашего организма ежедневно происходит около 100 000 изменений. Трудно представить, как могла бы сохраниться жизнь, если бы набор инструкций, обеспечивающих ее продолжение, искажался с такой скоростью. Очевидно, должен существовать механизм исправления и этих ошибок.