Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

МАКС ПЛАНК, СПЛАЙСИНГ И ФУТБОЛ

Кандидат физико-математических наук Е. ЛОЗОВСКАЯ. Фото автора и других участников программы EICOS.

В Институте биофизической химии им. Макса Планка, расположенном в немецком городе Гёттингене, уже несколько лет действует программа EICOS (European Initiative for Communicators in Science). Это ежегодная "школа" для журналистов, которые пишут о науке в газетах и научно-популярных журналах, готовят научно-популярные программы на радио и телевидении. В 2006 году в этой программе участвовала заведующая отделом журнала "Наука и жизнь" Е. Лозовская вместе с коллегами из Венгрии, Германии, Израиля, Испании, России и Швейцарии.

На пути из Франкфурта в Гёттинген поезд то и дело ныряет в тоннель. Несколько секунд полумрака - и за окном снова мелькают зеленые склоны холмов, пригорки, перелески, красные черепичные крыши деревенских домов и заостренные силуэты готических церквей.

Обеспечим библиотеки России научными изданиями!

И вот, меньше чем через два часа, - Гёттинген, старинный город, существующий, согласно историческим документам, как минимум с X века. А знаменит он прежде всего основанным в 1734 году университетом, который носит имя своего учредителя - курфюрста Ганноверского Георга Августа (по совместительству английского короля Георга II). Гёттинген стал одним из первых немецких университетов, где воплотился дух эпохи Просвещения. Наука получила относительную независимость от религии, поскольку в Гёттингене, в отличие от старых средневековых университетов, факультет теологии не главенствовал над другими. Вскоре университет стал крупнейшим в Европе. В начале XIX века здесь обучалось уже полторы тысячи студентов, и среди них, как свидетельствуют пушкинские строки,

…Владимир Ленский,
С душою прямо Гёттингенской,
Красавец, в полном цвете лет,
Поклонник Канта и поэт.
Он из Германии туманной
Привез учености плоды:
Вольнолюбивые мечты,
Дух пылкий и довольно странный,
Всегда восторженную речь
И кудри черные до плеч.

Будь Ленский не литературным персонажем, а реальным человеком, он вполне мог бы сидеть в одной аудитории с Генрихом Гейне, обучавшемся в Гёттингене в 1820-1821 годах. Чуть позже, в 1830 году, здесь начали преподавать братья Гримм, которые к тому времени провели обширное лингвистическое исследование диалектов немецкого языка, а попутно записали и опубликовали множество народных сказок, благодаря чему завоевали всеобщее признание. В университете работали математики Карл Фридрих Гаусс, Бернхард Риман и Давид Гильберт, физики Вальтер Нернст, Макс Борн и Вернер Гейзенберг. Здесь учились политики Отто фон Бисмарк и Герхард Шредер, музыкант Дитер Болен. В биографиях 40 нобелевских лауреатов упоминается Гёттинген - кто-то здесь учился, кто-то работал в университете или в одном из расположенных здесь же исследовательских институтов. Трудно поверить, что когда-то жители города не слишком радовались созданию университета, опасаясь того, что от студентов будет много шума и прочих неприятностей…

МАКС ПЛАНК - ЧЕЛОВЕК И ИНСТИТУТ

Точнее, не один, а целых 78 институтов носят имя выдающегося физика-теоретика Макса Планка (1858 - 1947). Это он на рубеже XIX и XX веков открыл миру закон излучения абсолютно черного тела и вывел знаменитую формулу E = hν, связавшую энергию излучения с его частотой. Новая физическая константа h, известная как постоянная Планка, легла в фундамент квантовой теории, а сам ученый в 1918 году был удостоен Нобелевской премии.

Последние годы своей жизни Макс Планк провел в Гёттингене. Здесь когда-то жили и его дед и прадед - университетские профессора, и именно сюда в 1945 году приехал 87-летний ученый. Война нанесла ему тяжелые душевные раны: сын Эрвин расстрелян за участие в заговоре против Гитлера, дом в пригороде Берлина разрушен во время бомбежки, бесценные научные записи сгорели. Но Планк понимал: нужно безотлагательно предпринимать шаги для возрождения немецкой науки, практически уничтоженной за время правления Гитлера. Собравшиеся в Гёттингене физики решили воссоздать Общество кайзера Вильгельма, которое с 1911 года занималось поддержкой фундаментальной науки в Германии. Макс Планк, возглавлявший Общество с 1930 по 1937 год, вновь стал его президентом. А в 1948 году, после смерти ученого, эта научная организация была преобразована в Общество Макса Планка.

Сейчас в институтах, входящих в Общество, работает 12 200 человек, из них 4200 - научные сотрудники. Кроме того, здесь проводят исследования 9600 молодых ученых. Распределение по тематике примерно таково: химия, физика и технологии - 50%, биология и медицина - 38%, гуманитарные науки - 12%.

Бюджет Общества Макса Планка формируется главным образом за счет государства: половину средств вкладывает федеральное правительство, половину - правительства федеральных земель. В сумме получается не так уж много: 1,3 млрд евро, что составляет лишь около 2% от всех расходов на науку в Германии. Фактически, на 78 институтов приходится столько же, сколько на два средних немецких университета. Однако при таком скромном бюджете институты Макса Планка занимают лидирующее положение в немецкой науке. Профессор Герберт Йекле в лекции "Научный ландшафт Германии" привел такие данные: в 2002 году число научных публикаций общества составило 11 тысяч, причем среди всех работ, опубликованных немецкими учеными в ведущих научных журналах, таких как "Nature", "Science", "Cell", более трети выполнено в институтах им. Макса Планка. Если же сравнивать с крупными американскими университетами, например со Стэнфордским или Йельским, то бюджет каждого из них выше, чем у всех институтов Макса Планка вместе взятых, но при этом по индексу цитирования и по количеству публикаций в "Nature", "Science" и "Phys. Rev. Lett." Общество Макса Планка впереди.

По мнению профессора Йекле, секрет успеха - в следовании нескольким базовым принципам. Прежде всего, это поддержка лучших научных "умов" и привлечение талантливой молодежи. В институтах Макса Планка организуются школы молодых ученых по разным направлениям, в которых ежегодно принимают участие более тысячи человек из разных стран. Практически все институты Макса Планка расположены рядом с крупными университетами. Многие институтские профессора преподают в университетах, а студенты и аспиранты выполняют свои дипломные и диссертационные исследования в лабораториях институтов. Правда, защищают свои магистерские и докторские диссертации они все же в университетах, поскольку Общество Макса Планка не наделено правом присуждать ученые степени.

Второй принцип - гибкая политика в выборе перспективных научных направлений. Она включает поддержку инновационных тем, еще не достаточно разработанных, чтобы войти в университетские научные планы, а также развитие междисциплинарных исследований, то есть тех, что происходят на стыках наук. Институтам выделяется ровно столько денег, сколько нужно для обеспечения лабораторий всем необходимым. В тех случаях, когда требуется особо дорогостоящее оборудование, к сотрудничеству привлекают другие научные центры.

Еще один важный принцип - постоянный контроль качества и эффективности исследований. Каждые шесть лет проводится сравнительная оценка работы научных групп с обязательным привлечением зарубежных ученых в качестве экспертов. Кстати, исследователи из других стран участвуют в работе институтов Макса Планка на самых разных уровнях. Среди научных сотрудников иностранные граждане составляют 26% (в том числе среди руководителей отделений - 27%), а среди аспирантов - 40%.

Задача институтов, входящих в Общество Макса Планка, - фундаментальные исследования. Однако в ходе работы нередко возникают "побочные продукты", имеющие прикладное значение. С 1999 по 2004 год общество Макса Планка получило 96,5 млн евро дохода от продажи патентов.

Социологические опросы показывают что 79% населения Германии знают о существовании институтов Макса Планка, 75% связывают их деятельность с инновациями, 80% считают, что это хорошее вложение денег налогоплательщиков и только 3% полагают, что деньги на науку потрачены зря.

БИОЛОГИЯ, ФИЗИКА И ХИМИЯ В ОДНОМ "ФЛАКОНЕ"

Институт биофизической химии - один из самых больших в Обществе Макса Планка. Он ведет свою историю от Института физической химии, основанного в Берлине еще до Первой мировой войны. В своем нынешнем виде институт был образован в 1971 году путем слияния Института физической химии и Института спектроскопии. Тогда же институт биофизической химии переехал в комплекс специально построенных и прекрасно оборудованных зданий на окраине Гёттингена, рядом с деревней Николаусберг.

В институте одиннадцать отделов, руководители которых образуют Коллегию и все вместе определяют политику и направление развития института. Каждые два года Коллегия выбирает одного из своих членов действующим директором. В научном отношении отделы автономны, но чем бы они не занимались - развитием зародышей или передачей нервных сигналов, с какими объектами бы не работали - мушками-дрозофилами или червями-нематодами, - внимание сфокусировано на молекулярной структуре живого. А биологические исследования на молекулярном уровне неизбежно требуют привлечения химических механизмов и физических методов. Чтобы увидеть молекулы, нужен электронный микроскоп, узнать их состав помогает масс-спектрометрия, а для определения трехмерной структуры используют рентгеноструктурный анализ и ядерный магнитный резонанс. Все необходимое оборудование в институте имеется и доступно сотрудникам любого отдела.

В Обществе Макса Планка придерживаются политики открытых дверей. Здесь хорошо понимают: наука не должна отгораживаться от остального мира. А чтобы рассказать широкой аудитории, чем занимаются ученые и к каким результатам приводят научные исследования, необходимо привлекать средства массовой информации.

Сейчас многие научные центры приглашают журналистов на пресс-конференции, проводят экскурсии по лабораториям. Программа EICOS построена на другом принципе: мы были не экскурсантами, а скорее практикантами, которым предстояло на неделю погрузиться в жизнь научной лаборатории, ознакомиться с несколькими современными методами биохимии и молекулярной биологии, своими руками провести научный эксперимент, прослушать пять лекций и сделать два доклада (первый о целях проводимого эксперимента, а второй - о результатах). Как и положено практикантам, мы работали под руководством наставников из числа сотрудников и аспирантов института - тьюторов. В британских школах и университетах тьюторы (англ. tutor) выполняют те же функции, что у нас классные руководители и кураторы студенческих групп. Ну, а в обязанности наших тьюторов входило подробно объяснять, что, как и зачем мы будем делать, терпеливо отвечать на наши вопросы и страховать нас от ошибок.

Распорядок работы был довольно плотным и расписанным почти до минуты. В восемь утра журналисты и тьюторы встречались за завтраком в уютной институтской столовой. В девять начиналась работа в лаборатории, затем - лекция, обед за длинным столом на открытой террасе, и вновь лабораторные эксперименты, а вечером, за ужином - нескончаемые разговоры о науке и о жизни.

В этом году в Гёттинген приехали одиннадцать журналистов (официально участников программы EICOS называют английским словом "fellows", что в переводе означает "товарищи", "коллеги"). Нас разбили на три группы, и перед каждой группой поставили свою научную задачу. Одной группе поручили исследование мембран нейронов (об этом читайте в журнале "Химия и жизнь" в статье Елены Клещенко, которая также участвовала в программе EICOS-2006), другой - компьютерное моделирование поведения белков. А мне вместе с испанскими коллегами Пилар Гил и Марио Сааведра и немецким журналистом Гертом Скобелем, предстояло разобраться в тайнах биохимического процесса, называемого загадочным словом "сплайсинг". Его изучением занимаются в отделе клеточной биохимии Института биофизической химии.

ОТ ГЕНА К БЕЛКУ ЧЕРЕЗ СПЛАЙСИНГ

Термин "сплайсинг" происходит от английского слова splice - соединять встык. Английские моряки использовали его, когда речь шла о сращивании концов двух канатов. В русском языке есть соответствующие морские термины "сплесень" и "сплесневание". Словарь Даля умалчивает о происхождении этих слов, но рискну предположить, что они возникли от немецкого Splei?en - эквивалента английского splicing как в морской терминологии, так и биохимии. Однако в русский язык биохимический термин пришел непосредственно из англоязычной научной литературы, минуя старые словари.

Разумеется, в живой клетке нет никаких канатов и тросов, зато там есть молекулы РНК, из которых необходимо вырезать ненужные участки, а образовавшиеся концы аккуратно "срастить". Зачем, когда и как это происходит? Разобраться в этом мне помогли объяснения главного наставника нашей группы доктора Бертхольда Кастнера и лекция профессора Рейнхарда Люрманна, возглавляющего отдел клеточной биохимии.

Многообразие свойств живых организмов обеспечивается разнообразием белков. Они выполняют самые разные функции: ферменты катализируют биохимические реакции, гемоглобин переносит кислород, мышечные белки обеспечивают возможность двигаться, коллаген в составе кожи, хрящей, сухожилий поддерживает форму организма. Белки - сложные и довольно большие молекулы, но построены они всего из двух десятков строительных блоков - аминокислот. Порядок, в котором аминокислоты соединяются друг с другом, определяет уникальную структуру и функцию белка.

Информация о том, как устроен белок, содержится в гене - определенном участке ДНК. У всех организмов, за исключением бактерий, вирусов и им подобных, ДНК находится в ядре, отделенном мембраной от остальной клетки. Каждую аминокислоту кодирует тройка нуклеиновых оснований в молекуле ДНК. Но не все участки ДНК несут такую смысловую нагрузку. Последовательность аминокислот в белке записана в отдельных блоках ДНК, называемых экзонами. Между экзонами находятся интроны - довольно длинные участки ДНК, которые не содержат информации об аминокислотах.

Процесс экспрессии гена, то есть воплощение генетического рецепта в реальный продукт, включает несколько очень важных шагов. Первый шаг - транскрипция, то есть "переписывание" информации с ДНК на молекулу РНК. С помощью специального фермента РНК-полимеразы синтезируется цепочка РНК, которая служит точным отпечатком с шаблона ДНК и включает как экзоны, так и интроны. Но такая РНК пока еще не пригодна в качестве инструкции для производства белка. Сначала из нее нужно исключить интроны, а экзоны соединить в нужном порядке, чтобы получилась матричная РНК (мРНК), содержащая только ту информацию, которая необходима для синтеза белка. Этот процесс исключения из молекулы РНК ненужных участков и называется сплайсингом.

Готовясь выступить перед коллегами и тьюторами с докладом о целях исследования, наша группа придумала кулинарную аналогию. Представим, что у нас есть поваренная книга, в которой содержатся рецепты разных сложных блюд - белков. В тексте книги информация о необходимых ингредиентах перемежается довольно большими вставками, которые, быть может, и представляют интерес (например, полезные советы, анекдоты, реклама), но ничего не говорят о том, какие продукты нужны для приготовления блюда и как его готовить. Чтобы получить рецепт, надо аккуратно вырезать кусочки с ингредиентами и соединить их в определенном порядке. Правда, сначала надо снять копию с нужных нам страниц (не портить же ценную книгу!), а уж потом заниматься вырезанием и склеиванием кусочков текста.

В нашей аналогии текст представляет молекулу ДНК, участки текста с описанием ингредиентов - экзоны, а куски постороннего текста - интроны. Полная копия страниц с рецептом и посторонними вставками - это молекула -предшественница матричной РНК, процесс вырезания и склеивания - сплайсинг, а результат склеивания - матричная РНК, которая уже не содержит ничего лишнего, только рецепт изготовления белка.

Получившаяся в результате сплайсинга матричная РНК гораздо короче своей предшественницы, поскольку из нее удалены длинные ненужные участки. Она транспортируется за пределы ядра, в цитоплазму. Там матричная РНК попадает в рибосому, где происходит следующий важный этап, называемый трансляцией: информация, записанная в матричной РНК, декодируется, и в полном соответствии с этим кодом синтезируется белок.

Сплайсинг осуществляет особая макромолекулярная "машина" - сплайсосома. В ее состав входят рибонуклеопротеины, образованные молекулами малой ядерной РНК (мяРНК) и белками. Каким образом происходит удаление интрона? Необходимо найти участок РНК, подлежащий исключению, разрезать молекулу РНК в нужных местах, а затем аккуратно соединить свободные концы экзонов. Основную часть этой работы выполняют пять малых рибонуклеопротеинов (мяРНП), которые обозначают U1, U2, U4, U5 и U6.

Сплайсосома - очень динамичное образование. Каждый раз, когда нужно вырезать интрон, рибонуклеопротеины собираются в комплекс, а после завершения работы разъединяются и переходят на другой участок. Действие сплайсосомы можно сравнить с работой бригады железнодорожников, которым в длинном грузовом составе нужно отыскать вагоны с ценным грузом и сцепить их вместе, а находящиеся между ними вагоны с балластом отцепить и перевести на запасной путь. Каждый элемент сплайсосомы выполняет определенную функцию: U1 находит место, где заканчивается экзон и начинается интрон, U2 находит так называемую точку разветвления, которая обычно расположена на расстоянии 20-30 нуклеотидов от конца интрона. Затем подключаются U4, U6 и U5 и образуется полноценная сплайсосома - так называемый комплекс В. На следующем этапе U1 и U4 отсоединяются, и сплайсосома переходит в активное состояние. Через несколько последующих шагов свернувшийся петлей интрон вырезается, и высвобождается матричная РНК. Следует добавить, что в образовании сплайсосомы участвуют не только пять упомянутых малых ядерных рибонуклеопротеинов, но и большое количество белков (белковых факторов).

СПЛАЙСИНГ В ПРОБИРКЕ

Наше знакомство со сплайсингом не ограничилось теорией. Параллельно с лекциями и семинарами предстояло выполнить довольно сложный биохимический опыт, а именно, провести сплайсинг и получить сплайсосомы на стадии комплекса В.

Извлечь необходимое количество сплайсосом из живой клетки практически невозможно. Поэтому в лабораториях отделе клеточной биохимии их синтезируют в пробирке. Процесс синтеза идет под контролем, его можно остановить в нужный момент, извлечь продукты и проанализировать их. Для образования сплайсосомы нужны компоненты двух основных типов: (1) первичная матричная РНК, которая скопирована с ДНК и служит заготовкой для мРНК; (2) малые ядерные рибонуклеопротеины (те самые, что обозначены буквой U с индексами) и белковые факторы.

Исследователи обычно записывают подробности эксперимента в лабораторном журнале. Во время нашей научной "практики" этого не требовалось, но все же и я, и мои коллеги вели записи, чтобы не забыть, что и в какой последовательности мы делаем.

Из лабораторного блокнота

День первый, 11 июня. Воскресенье, и на этаже, где расположены лаборатории отдела клеточной биохимии, немноголюдно - только мы, наши тьюторы и те сотрудники, чьи эксперименты не терпят выходных. Мы начали практическую работу с синтеза РНК. Молекула РНК - полимер, состоящий из мономеров-нуклеотидов четырех типов. Для того чтобы "собрать" из мономеров РНК, нужен специальный фермент - РНК-полимераза и молекула ДНК, выполняющая роль шаблона. РНК-полимераза последовательно "расплетает" двойную спираль ДНК и синтезирует копию из имеющихся в растворе нуклеотидов.

Многие биохимические реактивы стоят очень дорого, поэтому биохимики, как правило, имеют дело с микроколичествами веществ. Необходимый объем растворов отмеряют микропипетками, а все компоненты смешивают в маленьких пластиковых микропробирках. Такие микропробирки называют "эппи" (сокращение от названия фирмы "Эппендорф", где эти пробирки изобрели в начале 1960-х годов, а сейчас производят в количестве трех миллиардов в год). Они имеют откидывающуюся крышечку, которую удобно открывать и закрывать одной рукой. Изготавливают микропробирки из полипропилена. Этот материал устойчив к воздействию подавляющего большинства используемых в биохимии реактивов и выдерживает вращение в центрифуге с ускорением в 30 000 g.

Выданный нам "рецепт" синтеза модельной молекулы РНК содержит десять компонентов, не считая воды. Все эти вещества мы получили уже в виде готовых растворов, которые надо было добавить в воду в очень маленьких объемах, от 0,8 до 10 мкл (для сравнения - в капле воды примерно 50 мкл). Работу проводим под наблюдением тьюторов - Марка и Эльмара.

Синтез РНК продолжался два часа, причем без нашего участия (за это время мы успели пообедать). Теперь следовало разделить получившиеся компоненты с помощью гель-электрофореза. Метод основан на том, что молекулы перемещаются под действием электрического поля в прозрачной полиакрила мидной матрице (геле), причем скорость их движения зависит от массы, размеров и других параметров. Признаюсь, приготовить гель помогла Ребекка, аспирантка из Индии. Без нее мы вряд ли бы справились: требовалось аккуратно и быстро залить раствор в узкую щель между двумя стеклянными пластинками (если замешкаться, полимеризация начнется в химическом стакане). Сверху между пластинами вставляют специальную "гребенку", чтобы получились "карманы". Залить в эти карманы раствор, содержащий синтезированную РНК, доверили нам.

Примерно полчаса ожидания - и Ребекка убирает одну стеклянную пластину, прикрывает гель прозрачной пленкой и ведет нас в темную комнату. В лучах ультрафиолета, на фоне ярко сияющей зеленым подложки, на пластинке с гелем проступает темно-фиолетовое пятно. Ребекка поясняет, что именно в этом месте сконцентрировалась РНК. Она обводит пятно маркером (поверх пленки, разумеется). Мы вырезали отмеченный участок геля, измельчили его, залили буферным раствором и оставили на ночь.

День второй, 12 июня. За ночь РНК перешла в раствор. После очистки РНК (эта довольно длительная процедура включала промывку разными растворителями, осаждение, центрифугирование) мы, наконец, получили первый компонент для проведения сплайсинга. Чтобы за судьбой получившегося продукта было легче следить, к синтезированной РНК добавили РНК с радиоактивной меткой - изотопом фосфора 32P, период полураспада которого составляет 14 дней.

Важным пунктом в повестке второго дня стало "знакомство с Генриеттой" (так выразился Крис, один из наших тьюторов). Дело в том, что второй компонент, необходимый для сплайсинга, - белки и комплексы белков с РНК. Их источником служат выращенные в биореакторе клетки HeLa. Название этой клеточной линии происходит от имени Генриетты Лакс, пациентки американского госпиталя им. Джона Хопкинса. В 1951 году у нее обнаружили раковую опухоль и взяли клеточный материал на исследование. Клетки Генриетты проявили удивительную способность хорошо расти в лабораторных условиях, в культуре. Эта была первая линия человеческих клеток, способных к размножению вне организма. С тех пор клетки HeLa используют для биологических и медицинских исследований в лабораториях всего мира. Сама Генриетта Лакс умерла в том же 1951 году, но ее клетки продолжают жить.

В биореакторе поддерживают постоянную температуру и состав среды, а взрослые клетки регулярно удаляют. Средний размер клеток HeLa - 13-16 мкм. Его определяют специальным прибором, который измеряет электрическую емкость клеток, проходящих через тонкий капилляр.

Для сплайсинга нужны не целые клетки, а экстракт из их ядер. Чтобы поймать сплайсосомы на стадии комплекса В, надо смешать экстракт с РНК и остановить реакцию в нужный момент. По счастью, нам не пришлось самим подбирать условия проведения реакции - это уже было сделано до нас. Поэтому мы в полном соответствии с протоколом поместили смесь в термостат с температурой 30оС, через восемь минут вынули и поставили на лед, чтобы реакция остановилась. Осталось только разлить получившуюся смесь продуктов по пробиркам с градиентом плотности (его мы приготовили заранее из растворов глицерина с разной концентрацией) и поместить в ультрацентрифугу.

День третий, 13 июня. Согласно расписанию, мы должны были прийти в лабораторию ровно в 9 утра, чтобы выключить ультрацентрифугу, но задержались на несколько минут. Правда, оказалось, что центрифуга выключается автоматически, в заданное время. Причем и во время работы, и после выключения в центрифуге поддерживалась температура 4оС - чтобы образцы не испортились. Так что на результат эксперимента наше опоздание, по счастью, не повлияло.

За то время, что пробирки вращались, молекулы, находившиеся в реакционной смеси, распределились в градиенте плотности по размерам. Нам предстояло "выловить" оттуда сплайсосомы. Для этого сначала следовало аккуратно разделить градиент на отдельные фракции, для каждой фракции - отдельная микропробирка. Работу пришлось выполнять в холодной комнате. Это специальное помещение, где поддерживается температура 4оС. Чтобы мы не замерзли, выдали теплые куртки. Сотрудники лаборатории бросали на нас сочувственные взгляды. Кстати, здесь два основных языка общения - английский и немецкий. Пару раз слышала в коридоре русскую речь, но познакомиться с работающими здесь соотечественниками так и не успела.

Кстати, радиоактивные метки к РНК добавлены не зря: с их помощью мы нашли те фракции, которые содержат комплекс В. В его состав вошло примерно 8% всей меченой РНК.

Извлечение сплайсосом проходило методом аффинной хроматографии (в переводе с латыни "аффинный" означает "родственный"). К синтезированной нами РНК была заранее прикреплена особая метка ("ярлычок"), которая способна связываться со специальными белками. Образно говоря, это можно представить как детскую игру по вылавливанию игрушечных рыбок магнитной удочкой: поймать можно только тех, что с железными пластинками.

Сплайсосомы выделены. Нам пообещали, что мы увидим их в электронный микроскоп.

День четвертый, 14 июня. Тьюторам дали передышку. С утра у нас по расписанию - отчеты. Рассказывали коллегам о том, чем занимаемся, что успели сделать и что еще предстоит.

После обеда - экскурсия в приматологический центр, расположенный в двадцати минутах ходьбы от института. Здесь проводят эксперименты, в которых принимают участие обезьяны и люди. Одна из серий экспериментов связана с изучением реакции на звуковые и зрительные сигналы: нужно нажимать на клавишу, когда появляется "нестандартный" сигнал. Пилар попробовала выполнить это задание. Результат был неплохим, но, как сказал наш экскурсовод, тренированные шимпанзе справляются лучше.

День пятый, 15 июня. Когда выполняешь сложный биохимический опыт, желательно извлечь из него как можно больше информации и кроме того провести контроль. Поэтому на каждой стадии мы отбирали небольшие порции растворов РНК, экстракта ядер, реакционной смеси в начале и в конце реакции, брали доли каждой фракции. Теперь нам предстоит проанализировать все это с помощью гель-электрофореза. Работа трудоемкая, пришлось разбиться на пары. Пилар и Герт проводили анализ РНК, а мы с Марио занялись белковыми компонентами. После последовательной обработки геля разными реактивами, в том числе и содержащими серебро, на пластинках появились дорожки со множеством темных полосок. Каждая полоска соответствует определенному компоненту. Сравнив со специальной шкалой, мы убедились, что там действительно содержатся и белковые, и рибонуклеиновые компоненты сплайсосомы. Ура!

День шестой, 16 июня. Увидели сплайсосомы в электронный микроскоп. Правда, у нас не было уверенности, что это те самые комплексы В, которые выделили мы. "Разве это так важно, кто их получил? Главное, что их можно увидеть", - рассудительно заметил Герт (философ по образованию).

Остаток дня посвятили обсуждению результатов и подготовке отчета о проделанной работе. "На сегодняшний день выделять сплайсосомы таким методом умеют только 20 человек в трех лабораториях мира", - сказал кто-то из тьюторов. "Неужели? Значит, теперь их стало на 4 человека больше!" - воскликнула Пилар. Нам пообещали, что если мы потеряем работу в своих журналах и газетах, нас возьмут сюда лаборантами.

ОДИН ГЕН - МНОГО БЕЛКОВ

Научится проводить сплайсинг в пробирке, конечно, здорово, но хорошо бы понять - зачем? Почему этот процесс активно исследуют в ведущих лабораториях мира? Открытия последних лет показывают, что существование живых организмов, их развитие и даже образование новых видов в процессе эволюции тесно связаны с "редактированием" информации, содержащейся в генах.

Долгое время в биологии господствовала аксиома: один ген - один белок. Когда проект по расшифровке генома человека только начинался, большинство исследователей предполагали, что будет найдено более 100 тысяч генов. Однако результаты оказались гораздо скромнее: генов, кодирующих белки, примерно 20-25 тысяч, а вот белков в человеческом организме гораздо больше - сотни тысяч (сколько точно, никто пока не знает). Такое явное несоответствие объясняется тем, что на самом деле гены гораздо более универсальны, чем это считалось раньше. Одному гену может соответствовать много белков, а реализуется этот принцип в процессе альтернативного сплайсинга.

При обычном сплайсинге (именно такой мы провели в модельном эксперименте) вырезаются только интроны. В случае альтернативного сплайсинга исключаются не только интроны, но и отдельные экзоны. В результате получается немного другой белок, не содержащий аминокислотной последова тельности, закодированной в вырезанных экзонах. Включая то один, то другой экзон из группы альтернативных экзонов, можно получить группу родственных белков. Возвращаясь к кулинарной аналогии, можно представить, что на странице нашей кулинарной книги перечислен список ингредиентов, используемых для приготовления песочного печенья. Мы можем отредактировать текст, комбинируя обязательные компоненты (муку, сахар, масло) с изюмом, орехами, шоколадом, и получить рецепты для печенья нескольких разных видов.

Альтернативный сплайсинг имеет огромное значение для функционирования сложных организмов. От этого процесса в прямом смысле зависит жизнь и смерть клетки, по крайней мере, в тех случаях, когда поврежденная клетка должна выбрать, заниматься "ремонтом" повреждений или добровольно запустить программу саморазрушения (апоптоза). Два белка, один из которых подавляет апоптоз, а другой - ему способствует, закодированы в одном и том же гене, и выбор между ними происходит по механизму альтернативного сплайсинга.

Некоторые гены, особенно те, что имеют отношение к нервной системе, содержат большое число альтернативных экзонов. Например, ген Dscam мухи-дрозофилы содержит 115 экзонов, и 95 из них - альтернативные. При этом в окончательном варианте матричной РНК присутствуют только 24 экзона, из них 20 - обязательных, одинаковых для всех вариантов, а 4 - альтернативных. Альтернативные экзоны выбираются из четырех последовательных наборов, содержащих 12, 48, 33 и 2 экзона, соответственно. Из каждого набора берется только один экзон. Математический расчет показывает, что в этом случае возможно 38 016 различных комбинаций экзонов, а значит альтернативный сплайсинг гена Dscam теоретически может породить столь же большое число разных белков.

По какому пути пойдет альтернативный сплайсинг, определяют белки-регуляторы. Они связываются с короткими нуклеотидными последовательностями внутри пре-мРНК и тем самым либо способствуют сплайсингу, либо наоборот, не подпускают компоненты сплайсосомы к концам экзона, и тогда экзон вырезается и выбрасывается вместе с соседними интронами.

По оценкам, более половины (не исключено, что три четверти) генов человека участвуют в альтернативном сплайсинге. Благодаря этому механизму минимальный набор генов обеспечивает функционирование сложного организма. Как правило, целая группа родственных белков синтезируется согласно инструкциям, записанным в одном гене. Например, у человека один и тот же ген содержит исходную информацию о нескольких видах мышечных белков и других тканей. Альтернативный сплайсинг объясняет, почему человек и шимпанзе, генетически совпадая на 99%, так разительно отличаются внешне: гены одинаковы, но белки из них получаются разные.

Ошибки в сплайсинге обходятся организму дорого. Один неверный разрез-сшивка, и в инструкции появляется неверная запись, которая может привести к синтезу дефектного белка. Уже доказано, что подобные сбои становятся причинами наследственных нейродегенеративных заболеваний и некоторых видов рака. С изучением механизмов сплайсинга и роли белков-регуляторов связаны надежды на разработку новых способов лечения этих болезней.

И НАКОНЕЦ О ФУТБОЛЕ

"Добро пожаловать, Мексика!" - гласил транспарант, натянутый поперек улицы. Мексиканская команда на время футбольного чемпионата поселилась в Гёттингене, и весь город болел за Мексику - разумеется, в те дни, когда не играла Германия.

Остаться вне футбольных страстей было невозможно, ведь программа EICOS-2006 началась 10 июня, на следующий день после официального открытия чемпионата мира по футболу. И к тому же журналистов оказалось ровно одиннадцать человек - сравнение с футбольной командой напрашивалось само собой. В команде тьюторов участников было больше, но они не выходили на поле одновременно, предпочитая занимать длинную скамейку запасных. Ну, а руководителям программы досталась роль судей. Словом, наш опыт общения с исследователями Института биофизической химии вполне можно представить в виде серии дружеских матчей, которые проходили под девизом: "Two teams, one goal", что можно перевести с английского не только как "две команды - один гол", но скорее как "две команды - одна цель". Выражаясь высоким стилем, эту цель можно было бы сформулировать так: укрепление связей между наукой и обществом. Но, может быть, основной смысл таких программ - ломка стереотипов, до сих пор существующих в обществе в отношении науки и тех, кто ею занимается. Ведь если судить, например, по художественным книгам и фильмам, то ученые, за редким исключением, бывают двух типов - либо рассеяный чудаковатый профессор, либо мрачный гений-одиночка, неделями не выходящий из лаборатории. Эти образы так же далеки от реальности, как средневековая алхимия от современной химии или биохимии. Науку делают не чудаки-одиночки, а талантливые, жизнерадостные, открытые, доброжелательные, молодые (независимо от возраста!) люди, объединенные в интернациональные коллективы. Они прекрасно образованы, владеют сложными методами исследования и чрезвычайно ответственно относятся к своей работе. Если надо, они готовы работать по выходным, но в свободное время с удовольствием общаются с друзьями, коллегами и приезжими журналистами, пьют пиво и играют в футбол.


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Научные центры»

Детальное описание иллюстрации

Символ Гёттингена - "Девушка с гусем", скульптура, украшающая фонтан на городской площади. Ее называют самой целуемой девушкой в мире, поскольку по старинному обычаю каждый аспирант, защитивший диссертацию и получивший степень доктора философии, непременно должен поцеловать бронзовую красавицу.
В этом здании, построенном специально для университета, находится Большой зал, где проходят торжественные церемонии. А на самом верхнем этаже, куда ведет узкая и крутая винтовая лестница, расположен карцер. Когда-то, до Первой мировой войны, туда сажали проштрафившихся студентов. От нечего делать они разрисовывали стены камер и вырезали на деревянных дверях свои имена. Теперь здесь музей.
Лекция профессора Рейнхарда Люрманна. Он объясняет процесс сплайсинга, используя доступный спортивный инвентарь. Скакалка изображает молекулу РНК, ее ручки - экзоны, а веревка - интрон, который требуется вырезать. Но чтобы оставшиеся экзоны соединились друг с другом, молекулу РНК нужно сконфигурировать правильным образом.
Вариации на тему футбола. Надпись гласит: EICOS-2006 - ЧУДО ГЁТТИНГЕНА. Слева - команда журналистов: 1 - Пилар Гил (Испания), 2 - Таня Хершман (Израиль), 3 - Елена Лозовская (Россия), 4 - Сюзан Шэдлих (Германия), 5 - Елена Клещенко (Россия), 6 - Марио Сааведра (Испания), 7 - Зино Гайсселер (Швейцария), 8 - Герт Скобель (Германия), 9 - Михаэла Клойбер (Германия), 10 - Клаудиа Герхардт (Германия), 11 - Эстер Ворош (Венгрия). Справа - команда тьюторов: 1 - Франк Видершайн, 2 - Николай Мещериков, 3 - Эльмар Вольф, 4 - Фелипе Зилли, 5 - Ульф Гёйманн, 6 - Мартин Штумпе, 7 - Ульрих Захария, 8 - Кристиан Мерц, 9 - Мэтью Хольт, 10 - Марк Шнайдер, 11 - Ребекка Мэтью, 12 - Андреас Кун, 13 - Йохен Зибер, 14 - Клаус Хартмут, 15 - Геррит Гренхоф, 16 - Майк Гётте. Судьи: I - Рейнхард Ян, II - Ульрих Кунт, III - Бертхольд Кастнер, IV - Готфрид Мискес, V - Дитмар Ридель.
ОТ ГЕНА К БЕЛКУ ЧЕРЕЗ СПЛАЙСИНГ. Сплайсинг происходит в ядре клетки. Информация, хранящаяся в двойной цепочке ДНК, переписывается на молекулу РНК, называемую предшественницей матричной РНК (пре-мРНК). В молекуле пре-мРНК есть участки, кодирующие белок (экзоны), и участки, не содержащие информации о белке (интроны). Молекулярная "машина", называемая сплайсосомой, вырезает интроны и сшивает вместе экзоны. Образуется молекула матричной РНК (мРНК), которая содержит информацию о белке. Через поры в мембране ядра молекулы мРНК выходят в цитоплазму и попадают в рибосому, где происходит синтез белка. При альтернативном сплайсинге удаляются не только интроны, но и некоторые экзоны. В результате получается отличающийся вариант мРНК, на основе которой в рибосоме синтезируется другой белок.
ОТ ГЕНА К БЕЛКУ ЧЕРЕЗ СПЛАЙСИНГ. Как найти участок РНК, подлежащий удалению? На него указывают сигнальные последовательно сти нуклеотидов. Большинство интронов начинаются с пары нуклеиновых оснований GU (гуанин-урацил), а заканчиваются парой AG (аденин-гуанин). Особое значение имеет точка разветвления - основание А (аденин), которое находится на расстоянии 20-30 пиримидиновых нуклеотидов от конца интрона.
ОТ ГЕНА К БЕЛКУ ЧЕРЕЗ СПЛАЙСИНГ. Работу по разрезанию и сшиванию РНК выполняет сплайсосома - динамичная молекулярная машина. Ее конфигурация изменяется в ходе сплайсинга, проходя несколько стадий (комплексов). Основные действующие компоненты сплайсосомы - малые ядерные рибонуклеопротеины (мяРНП), обозначаемые как U1, U2, U4, U5 и U6. Они последовательно связываются с пре-мРНК. Сначала U1 находит место, где должен быть сделан первый разрез, затем к так называемой точке разветвления присоединяется U2. Образуется комплекс А. После присоединения U4, U5 и U6 формируется комплекс В. Выполнив свои функции, U1 и U4 выходят из игры, а сплайсосома переходит в активированное состояние. На этом этапе происходит разрыв химической связи между интроном и экзоном, свободный конец интрона прикрепляется к точке разветвления и образуется петля. Комплекс С обеспечивает следующий шаг - отрезание петли от второго экзона и соединение двух экзонов в одно целое. На последнем этапе высвобождается зрелая матричная РНК, готовая для транспорти ровки в рибосому. Рибонуклеопротеины отсоединяются от вырезанного интрона и принимают участие в новом цикле.
ОТ ГЕНА К БЕЛКУ ЧЕРЕЗ СПЛАЙСИНГ. Пример альтернативного сплайсинга у человека. Ген структурного белка тропомиозина дает начало пяти разным вариантам этого белка, которые синтезируются в пяти разных тканях организма: скелетной мышце, гладкой мышце, фибробластах, печени и мозге.