Исследования структуры ДНК

В 1950х годах три группы ученых добились успеха в исследованиях структуры биологических макромолекул. Первая работала в Кингс-колледже (Лондон), в нее входили Морис Уилкинс и Розалинда Франклин. Вторая состояла из Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона из Кембриджа. Третья группа, возглавляемая Лайнусом Полингом, работала в Калифорнийском технологическом институте (США). Уотсон и Крик конструировали модели структуры из шариков, соединенных металлическими стержнями, исходя из данных о структуре отдельных нуклеотидов и расстояниях между атомами. Франклин и Уилкинс анализировали данные кристаллографии и рентгеноструктурного анализа.

Группа Полинга в 1948 г. на основании таких же исследований обнаружила, что в пространственной структуре многих белков имеются более или менее крупные части в виде спирали. Аналогичные выводы можно было сделать и на основании данных Франклин и Уилкинса на ДНК. Окончательные выводы о спиралевидной структуре ДНК, наличии в ней двух цепей, связанных между собой водородными связями между отдельными нуклеотидами, обращенными друг к другу, и их комплементарности были сделаны Уотсоном и Криком. Им помог Эрвин Чаргафф, посетивший в 1952 г. Кембридж и напомнивший о своих экспериментах 1947 г., когда он обнаружил, что в разных образцах ДНК соотношение нуклеотидов варьирует, но аденин всегда присутствует в той же пропорции, в какой и тимин, а гуанин — в такой же, как и цитозин.

Первую точную модель ДНК Уотсон и Крик построили в 1953 г. на основании данных, полученных к этому моменту от Франклина. Их открытие вызвало необыкновенный энтузиазм как у ученых, так и у широкой публики. Статья Уотсона и Крика была опубликована в Nature 25 апреля. Ее содержание было дублировано публичным докладом заведующего лабораторией, в которой работали Уотсон и Крик, Уильяма Брэгга, 14 мая. Уже 15 мая о нем была помещена заметка в лондонской газете News Chronicle, а 16 мая — в The New York Times. В 1962 г. Уотсон, Крик и Уилкинс получили за это открытие Нобелевскую премию.

Исследования РНК

Структура

Ранние работы по исследованию структуры РНК также относятся к 1950 м годам. Уотсон и Крик предполагали, что наличие у рибозы 2`OH группы препятствует образованию двойной спирали, характерной только для ДНК[9]. Были сомнения даже в способности этой макромолекулы к образованию любой спиральной структуры. Высокая степень гетерогенности очищенных образцов препятствовала получению на РНК отчетливых снимков дифракционной картины и их рентгеноструктурному анализу. В 1955 г. был открыт фермент полинуклеотидфосфорилаза, с помощью которого стал возможен искусственный синтез гомогенных нуклеиновых кислот, и данные рентгеноструктурного анализа значительно улучшились. Оказалось, что РНК не только может образовать спираль, но, как и ДНК, способна к созданию двойной спирали, хотя ее структура и отличалась от двойной спирали ДНК.

В конце 1950 — начале 1960х годов было опубликовано множество результатов исследований РНК, в том числе о гибридизации РНК и ДНК с образованием двойных спиралей из цепей обеих макромолекул[11] и даже тройной спирали РНК[12], а также о структуре небольших фрагментов РНК и динуклеотидов G-C и A-U, кристаллизованных в виде завитков спирали[13]. Современный обзор этих работ был опубликован в 2009 г.[14]

К середине 1960х годов были открыты рибосомы, показана их роль в синтезе белка и необходимость информационной РНК для их сборки. Кроме информационной РНК и РНК, входящей в структуру рибосом, в синтезе белка участвовали также транспортные РНК, доставляющие аминокислоты к рибосоме. В 1965 г. была определена первичная структура первой транспортной РНК, а к 1968 г. сразу несколько групп ученых получили кристаллы транспортных РНК, хотя еще недостаточно хорошего качества, чтобы стало возможно определить их пространственную структуру. Эта цель стала достижимой благодаря кристаллизации в 1971 г. Работа по исследованию пространственной структуры тРНК была закончена к 1973 г. Впоследствии методы этой пионерской работы были применены к кристаллизации и исследованию пространственной структуры и других тРНК. Оказалось, что кроме линейной или спиралевидной формы, такие РНК, как транспортные, как и белки могут иметь компактную глобулярную структуру.

Структура рибосомы

В 1980х годах было показано, что некоторые РНК способны к аутокаталитическому расщеплению[22][23][24]. РНК, способные, как и ферменты, катализировать химические реакции, такие как аутокаталитическое расщепление, назвали рибозимами. В 1990х годах у некоторых из рибозимов была изучена пространственная структура[25][26]. Это были первые глобулярные РНК кроме транспортных, у которых стало возможно изучать пространственную структуру. На этой основе далее были проведены исследования особенностей формирования структуры РНК, выявление консервативных структурных мотивов, локальных стабилизирующих взаимодействий между фрагментами нуклеотидной последовательности и т. д.[27]. Эти достижения стали возможными, благодаря появлению метода транскрипции in vitro. Кроме того, для изучения структуры РНК начали применять ядерный магнитный резонанс, который оказался особенно полезен для исследования малых РНК.