Второй секрет жизни
Открытие репрессоров и ингибирования по типу обратной связи подогрело интерес к следующей проблеме: как именно два этих вида регуляции действуют на молекулярном уровне. Что именно делает репрессор? Как действуют индукторы? Как осуществляется обратная связь?
Однажды поздним вечером осенью 1961 г. Жак Моно вошел в лабораторию к своей коллеге Агнес Улльманн. Моно, обычно одетый с иголочки, энергичный, выглядел усталым и обеспокоенным, его галстук был расслаблен. Выдержав некоторую паузу, он сказал Улльманн: «Думаю, я открыл второй секрет жизни».
Улльманн подумала, что Моно выглядит неважно, поэтому предложила ему присесть и выпить виски – это был любимый напиток Моно. Пропустив один-два стаканчика, Моно встал и пустился в долгие объяснения. Он был не болен. В отличной форме. Моно еще раз рассмотрел многолетние наблюдения репрессии и ингибирования по типу обратной связи и наконец предложил унифицированное объяснение обоих феноменов.
Моно совершил этот прорыв, зарисовав контуры и размеры молекул. Он размышлял о ферменте, который тогда исследовали у него в лаборатории. Ферменты – это крупные белки, их молекулы более чем в 100 раз превосходят по размеру молекулы тех веществ, на которые они воздействуют (так называемые субстраты), – например, молекулы сахаров или аминокислот. Подобно тому как ключ входит в замок, субстрат плотно входит в просвет фермента, именуемый активным центром, где он расщепляется или видоизменяется.
Фермент, изучением которого тогда занимался Моно, является первым веществом в биохимическом «пути», приводящем к синтезу аминокислоты изолейцина. Он воздействует на субстрат под названием «треонин» и ингибируется изолейцином – конечным продуктом данного биохимического «пути». Моно пытался понять, как маленькая молекула изолейцина может вклиниться в активный центр фермента и выключить его. Но тут его осенило: изолейцин совсем не похож по форме на треонин. Может быть, он просто не влезает в эту полость?
Затем Моно подумал о других ферментах, ингибируемых по типу обратной связи, и осознал, что с ними происходит то же самое: они ингибируются молекулами, очень отличающимися по форме от молекул субстратов. Что бы это значило? Моно понял, что место, к которому прикрепляется ингибитор, не должно совпадать с активным центром. В ферменте – «замке» – должно быть две «скважины»: одна – для субстрата, и одна – для ингибитора.
Каким-то образом связывание с ингибитором изменяло форму фермента таким образом, что он больше не мог связываться со своим субстратом («скважина» закрывалась). Моно назвал этот феномен аллостерией (от греческих слов «allos» – «другой» и «stereos» – «пространственный, объемный»). Ученый считал аллостерию важным механизмом, регулирующим работу белков (рис. 3.6, вверху).
В тот памятный вечер вся мозаика сложилась. Индуктор и репрессор действовали по тому же принципу, что и обратное ингибирование, – путем аллостерии. Репрессор также должен был иметь два активных центра: один – для связывания ДНК, другой – для индуктора. Когда индуктор отсутствует, репрессор связывается с ДНК и таким образом выключает ген; когда индуктор есть и связывается с репрессором, физическая форма репрессора из-за этого изменяется, репрессор не может связаться с ДНК, и это позволяет гену включиться (см. рис. 3.6, внизу).
Моно мог двумя путями доказать простую, но великую унифицирующую идею: мелкие молекулы (аминокислоты, индукторы) управляют формой и активностью крупных молекул (белков). Объединив два, казалось бы, неродственных феномена – репрессию ферментов и ингибирование по типу обратной связи, – Моно определил потенциальные общие принципы. Аллостерия, например, позволяла объяснить, как небольшие молекулы гормонов или нейротрансмиттеров регулируют работу эндокринной и нервной системы. Моно, потрясенный вероятными масштабами этой идеи, отправился к Улльманн, чтобы услышать ее мнение.
Рис. 3.6
Аллостерия – основа ингибирования по типу обратной связи и индукции ферментов. Сверху: субстрат входит в активный центр фермента; ингибитор – в другую щель. Когда ингибитор прикрепился, форма активного центра видоизменяется таким образом, что субстрат в него больше не входит. Снизу: один центр репрессора связывает ДНК, другой – лактозу. Когда лактоза прикрепится, форма репрессора изменяется, и он больше не связывает ДНК, поэтому может включиться ген фермента
Иллюстрация Лиэнн Олдз
Тогда как ДНК была первым секретом жизни, аллостерия, вероятно, была вторым, поскольку позволяла понять, как регулируется работа генов и белков. Нобелевский комитет счел это, как и все остальные открытия Моно и Жакоба, достойным Нобелевской премии по физиологии и медицине, которая и была присуждена им в 1965 г.
E. coli и слоны
Важность исследований Моно и Жакоба определялась не конкретными деталями разгадки тайны регуляции фермента β-галактосидазы у E. coli. Сила их идей, как и идей Элтона и Кеннона, заключалась в оригинальности и универсальности открытых учеными законов регуляции.
Подобно тому как Элтон представил экосистему в качестве сообщества организмов, взаимодействующих друг с другом при помощи пищевых цепей, а Кеннон – тело как систему органов, связанных на уровне нервной и эндокринной системы, Моно и Жакоб изобразили клеточную жизнь как «сообщество макромолекул, объединенных сложной системой коммуникаций, регулирующих одновременно и синтез, и активность этих молекул».
Моно и Жакоб живо и ярко объяснили, каково значение их открытий, сделанных исключительно при изучении одноклеточных бактерий, для понимания сложных феноменов в жизни гораздо более сложных организмов. Мастерски объединив все, что было изучено к 1961 г., они афористично отметили: «Существует аксиома: все, что подтверждается для E. coli, должно подтверждаться и для слона».
Это было скорее смелое желание, чем проверенный и общепринятый факт, что, однако, не мешало их рассуждениям. Признавая, что регуляция в высших организмах должна быть «неизмеримо» более сложной, они предполагали:
С другой стороны, представляется очень маловероятным, что основные механизмы, выявленные у низших форм, – аллостерическое ингибирование, индуцирование и репрессия – не должны присутствовать у дифференцированных организмов. Понятно, что эти механизмы по природе своей могут быть адаптированы к самым разнообразным ситуациям и могут служить для самых разных целей у E. coli и у человека.
Не только эти механизмы, но и закон отрицательной регуляции представлялась Моно и Жакобу предельно важной для высших организмов. Понимая, что раковые клетки теряют чувствительность к «условиям, контролирующим клеточное деление в здоровых тканях», они предполагали, что онкологические заболевания могут быть обусловлены генетическими мутациями или иными факторами, отключающими репрессор, который управляет делением клеток.
